Diese Arbeit beinhaltet umfangreiche experimentelle Daten zur Kavitationsvisu-alisierung unter Trennung von Dampf- und Gaskavitation sowie eine validierte und praktikable Simulationsmethodik zur Lokalisierung und Quantifizierung der Kavitation und Kavitationserosion in einem realitätsnahen Hydraulikventil. Ein wesentliches Defizit der bisherigen Forschung zur Kavitation in der Hydrau-lik liegt in der fehlenden Trennung der Kavitationsarten, wodurch es bisher nur punktuell gelang belastbare Kavitationsmodelle inklusive ihrer Parameter für ölhydraulische Strömungen zu entwickeln. Auch die Vorhersage der Kavitati-onserosion war nur eingeschränkt möglich und der Einfluss der Luft auf diese umstritten. Durch ein effektives Entgasungskonzept trennt diese Arbeit experimentell die Effekte von Dampf- und Gaskavitation vollständig, sodass die jeweiligen Auswir-kungen auf die Kavitationsverteilung und -erosion sichtbar und analysierbar werden. Für 90 Betriebspunkte bei drei Sättigungszuständen des Mineralöls wird die kavitierende Strömung mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera und der Methode der Shadowgraphy visualisiert und statistisch quantifiziert. Es wird gezeigt, dass die Verteilung der optischen Kavitationsintensität vollständig durch den Kavitationskoeffizienten beschrieben wird und dass der Kavitations-beginn unabhängig vom Sättigungszustand des Öls ist. Weiterhin wird nachge-wiesen, dass hydrodynamische Kavitationserosion durch Dampfkavitation und nicht durch Gaskavitation verursacht wird. Im Gegenteil, die durch Gaskavitation freige-setzte Luft dämpft die Kavitationserosion um den Faktor 4-5. Zur Simulation der Dampf- und Gaskavitation wird schrittweise ein kompressib-les Euler-Euler-Mehrphasen CFD-Modell aufgebaut und mit der entwickelten Me-thode der „Virtual Shadowgraphy“ ausgewertet. Die Visualisierungsdaten wer-den zur Parametrierung das Zwart-Gerber-Belamri Dampfkavitationsmodell für Hydrauliköl genutzt. Die Modellierung wird um den Einfluss der Luft erweitert. Der Vergleich zwischen Simulation und Experiment zeigt über den gesamten Betriebsbereich eine sehr gute Übereinstimmung der räumlichen Kavitations-verteilung. Es wird demonstriert, dass eine Turbulenzmodellierung mit LES notwendig ist, da diese das momentane und lokale Druckfeld aufgelöst und damit die druckge-triebene Kavitation korrekt berechnet. Mit Hilfe der Kavitationserosionsindizes nach Nohmi ermöglicht das Modell die detaillierte Lokalisierung und Quantifizierung der Kavitationserosion, wobei ei-ne starke Kopplung zwischen Wirbeln und Kavitation beobachtet wird. Der ero-sionsdämpfende Einfluss der Luft wird von der Simulation ebenfalls abgebildet. Das Modell ist einsatzbereit und ermöglicht die Simulation von Kavitation und Kavitationserosion in hydraulischen Pumpen und Ventilen.:1 Einleitung 2 Stand der Forschung 2.1 Übersicht zur Turbulenzmodellierung 2.1.1 Turbulenzmodellierung mittels RANS 2.1.2 Turbulenzmodellierung mittels LES 2.2 Grundlagen der Mehrphasen- und Kavitationsmodellierung 2.3 Modellierung der Dampfkavitation 2.4 Modellierung der Gaskavitation 2.5 Kavitationsmodellierung in der Hydraulik 2.6 Kavitationserosion und Einfluss der (gelösten) Luft im Hydrauliköl 2.7 Simulation der Kavitationserosion 2.8 Forschungslücke 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 4 Das Fluid – Stoffwertbestimmung 4.1 Die Viskosität 4.2 Die Dichte 4.3 Der Kompressionsmodul 4.4 Der Dampfdruck 5 Experimente zur Kavitationsvisualisierung 5.1 Experimentelle Strategie 5.2 Versuchsaufbau 5.2.1 Das Hydrauliksystem 5.2.2 Der hydraulische Tank mit Entgasungsfunktionalität 5.2.3 Die Blasenanalysestrecken 5.2.4 Die Strömungsgeometrie 5.2.5 Strömungsvisualisierung mittels Shadowgraphy und Hochgeschwindigkeitskamera 5.3 Versuchsdurchführung 5.4 Versuchsauswertung und Ergebnisse 5.4.1 Definition der Ähnlichkeitskennzahlen Re,ζ,σ und X 5.4.2 Durchflusscharakteristik der Strömungsgeometrie 5.4.3 Bildverarbeitung und Quantifizierung der Kavitationsintensität mittels der statistischen Shadowgraphy 5.4.4 Räumliche Verteilung der Kavitationsintensität bei unterschiedlichen Sättigungsgraden und Betriebspunkten 5.4.5 Räumlich gemittelte Kavitationsintensität bei unterschiedlichen Sättigungsgraden und Betriebspunkten 6 Experimente zur Kavitationserosion und deren Abhängigkeit vom Luftgehalt 90 6.1 Durchführung der Erosionsversuche 6.2 Ergebnisse der Erosionsversuche 6.3 Messung der gelösten Luft und des Blasenspektrums im Nachlauf 6.4 Ergebnisinterpretation, Diskussion und Schlussfolgerungen der Erosionsversuche 7 Simulation 7.1 Simulationsstrategie 7.2 Geometrie und Diskretisierung 7.3 Modellaufbau und Auswertemethodik 7.3.1 Definition der Stoffeigenschaften 7.3.2 Turbulenzmodellierung 7.3.3 Kavitationsmodellierung 7.3.4 Rand- und Anfangsbedingungen 7.3.5 Die Auswertemethodik der „Virtual Shadowgraphy“ 7.4 Simulationsergebnisse und Vergleich mit den Experimenten 7.4.1 Einfluss der Turbulenzmodellierung 7.4.2 Parametrierung des ZGB-Dampfkavitationsmodells für Mineralöl 7.4.3 Parametrierung des Lifante-Gaskavitationsmodells für Mineralöl 7.4.4 Weiterentwicklung des Lifante-Gaskavitationsmodells durch scherratenabhängige Desorbtionskoeffizienten 7.4.5 Modellreduktion zur Anwendung bei kavitationsintensiven Betriebspunkten und dem Vorhandensein freier Luft 7.5 Simulative Quantifizierung von Ort und Intensität der Kavitationsbelastung und Einfluss der Luft 7.5.1 Einfluss der Luft auf die Kavitationsbelastung 7.5.2 Vergleich und Bewertung der simulierten Kavitationsbelastung mit der experimentell beobachteten Kavitationserosion 8 Zusammenfassung 9 Ausblick 10 Literatur 11 Anhang / This thesis contains detailed experimental data on cavitation visualization with separation of vapor and gas cavitation as well as a validated and practicable simulation methodology for the localization and quantification of cavitation and cavitation erosion in a realistic hydraulic valve. A major deficit of previous research on cavitation in hydraulics is the lack of separation of cavitation types, which has resulted in only selective success in developing reliable cavitation models including their parameters for oil-hydraulic flows. The prediction of cavitation erosion was also only possible to a limited extent and the influence of air on this was controversial. Using an effective degassing concept, this work experimentally separates the effects of vapor and gas cavitation completely, so that the individual effects on cavitation distribution and erosion become visible and analyzable. For 90 oper-ating points at three saturation states of the mineral oil, the cavitating flow is visualized and statistically quantified using a high-speed camera and the meth-od of shadowgraphy. It is shown that the distribution of the optical cavitation intensity is completely described by the cavitation coefficient and that the in-ception of cavitation is independent of the saturation state of the oil. Further-more, it is shown that hydrodynamic cavitation erosion is caused by vapor cavi-tation and not by gas cavitation. On the contrary, the air released by gas cavita-tion dampens cavitation erosion by a factor of 4-5. To simulate vapor and gas cavitation, a compressible Euler-Euler multiphase CFD model is developed step by step and evaluated using the 'Virtual Shadow-graphy' method. The visualization data is used to parameterize the Zwart-Gerber-Belamri vapor cavitation model for hydraulic oil. The modeling is ex-tended to include the influence of air. The comparison between simulation and experiment shows a very good agreement of the spatial cavitation distribution over the entire operating range. It is demonstrated that turbulence modeling with LES is necessary because it resolves the momentary and local pressure field and thus correctly calculates the pressure-driven cavitation. With the help of the cavitation erosion indices according to Nohmi, the model enables the detailed localization and quantification of cavitation erosion, whereby a strong coupling between vortices and cavitation is observed. The erosion-damping influence of the air is also reflected by the simulation. The model is ready for use and enables the simulation of cavitation and cavita-tion erosion in hydraulic pumps and valves.:1 Einleitung 2 Stand der Forschung 2.1 Übersicht zur Turbulenzmodellierung 2.1.1 Turbulenzmodellierung mittels RANS 2.1.2 Turbulenzmodellierung mittels LES 2.2 Grundlagen der Mehrphasen- und Kavitationsmodellierung 2.3 Modellierung der Dampfkavitation 2.4 Modellierung der Gaskavitation 2.5 Kavitationsmodellierung in der Hydraulik 2.6 Kavitationserosion und Einfluss der (gelösten) Luft im Hydrauliköl 2.7 Simulation der Kavitationserosion 2.8 Forschungslücke 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 4 Das Fluid – Stoffwertbestimmung 4.1 Die Viskosität 4.2 Die Dichte 4.3 Der Kompressionsmodul 4.4 Der Dampfdruck 5 Experimente zur Kavitationsvisualisierung 5.1 Experimentelle Strategie 5.2 Versuchsaufbau 5.2.1 Das Hydrauliksystem 5.2.2 Der hydraulische Tank mit Entgasungsfunktionalität 5.2.3 Die Blasenanalysestrecken 5.2.4 Die Strömungsgeometrie 5.2.5 Strömungsvisualisierung mittels Shadowgraphy und Hochgeschwindigkeitskamera 5.3 Versuchsdurchführung 5.4 Versuchsauswertung und Ergebnisse 5.4.1 Definition der Ähnlichkeitskennzahlen Re,ζ,σ und X 5.4.2 Durchflusscharakteristik der Strömungsgeometrie 5.4.3 Bildverarbeitung und Quantifizierung der Kavitationsintensität mittels der statistischen Shadowgraphy 5.4.4 Räumliche Verteilung der Kavitationsintensität bei unterschiedlichen Sättigungsgraden und Betriebspunkten 5.4.5 Räumlich gemittelte Kavitationsintensität bei unterschiedlichen Sättigungsgraden und Betriebspunkten 6 Experimente zur Kavitationserosion und deren Abhängigkeit vom Luftgehalt 90 6.1 Durchführung der Erosionsversuche 6.2 Ergebnisse der Erosionsversuche 6.3 Messung der gelösten Luft und des Blasenspektrums im Nachlauf 6.4 Ergebnisinterpretation, Diskussion und Schlussfolgerungen der Erosionsversuche 7 Simulation 7.1 Simulationsstrategie 7.2 Geometrie und Diskretisierung 7.3 Modellaufbau und Auswertemethodik 7.3.1 Definition der Stoffeigenschaften 7.3.2 Turbulenzmodellierung 7.3.3 Kavitationsmodellierung 7.3.4 Rand- und Anfangsbedingungen 7.3.5 Die Auswertemethodik der „Virtual Shadowgraphy“ 7.4 Simulationsergebnisse und Vergleich mit den Experimenten 7.4.1 Einfluss der Turbulenzmodellierung 7.4.2 Parametrierung des ZGB-Dampfkavitationsmodells für Mineralöl 7.4.3 Parametrierung des Lifante-Gaskavitationsmodells für Mineralöl 7.4.4 Weiterentwicklung des Lifante-Gaskavitationsmodells durch scherratenabhängige Desorbtionskoeffizienten 7.4.5 Modellreduktion zur Anwendung bei kavitationsintensiven Betriebspunkten und dem Vorhandensein freier Luft 7.5 Simulative Quantifizierung von Ort und Intensität der Kavitationsbelastung und Einfluss der Luft 7.5.1 Einfluss der Luft auf die Kavitationsbelastung 7.5.2 Vergleich und Bewertung der simulierten Kavitationsbelastung mit der experimentell beobachteten Kavitationserosion 8 Zusammenfassung 9 Ausblick 10 Literatur 11 Anhang

A ce jour il n'est toujours pas possible de prédire avec exactitude le phénomène d'érosion par cavitation. La raison principale est qu'il est difficile de caractériser l'agressivité de l'écoulement. Cette thèse propose d'utiliser une méthode inverse pour estimer l'agressivité de l'écoulement à partir de l'observation des cratères (pits) imprimées sur la surface dans les premiers instants de l'érosion de cavitation. Trois matériaux ont été testés dans la veine d'écoulement PREVERO disponible au LEGI de Grenoble dans les mêmes conditions expérimentales. La géométrie des pits laissés sur la surface est précisément mesurée à l'aide d'une méthode systématique permettant de s'affranchir de l'effet de rugosité. Supposant que chaque pit a été généré par une bulle unique dont le champ de pression est assimilé à une forme Gaussienne, des calculs par éléments finis permettent d'estimer le chargement qui a créé l'empreinte résiduelle. On montre que la distribution des chargements suit une loi universelle indépendante du matériau testé; le matériau le plus tendre (alliage d'aluminium) mesurant les plus faibles impacts tandis que le matériau le plus résistant (Acier inoxydable) donne accès aux plus grandes pressions d'impact. On en conclu que le matériau peut être utilisé comme capteur de pression mesurant le niveau d'agressivité de l'écoulement. La méthode inverse repose sur une caractérisation mécanique des matériaux prenant en compte la sensibilité de la contrainte à la vitesse de déformation. On montre que les essais de nanoindentation sont mieux adaptés que les essais de compression pour déterminer les paramètres de la loi de comportement, notamment pour l'alliage d'aluminium pour lequel la microstructure est très hétérogène. Des essais de compression à haute vitesse par barres de Hopkinson complètent la loi de comportement en donnant la sensibilité à la vitesse de déformation. Des simulations prenant en compte la dynamique du chargement montrent que des impacts de fort amplitude mais appliqués sur un temps court ne laissent pas d'empreinte résiduelle si la fréquence est plus élevée que la fréquence naturelle du matériau assimilé à un oscillateur amorti. Un mécanisme d'accumulation dynamique de la déformation plastique pouvant conduire à la rupture par fatigue est proposé. Finalement, la courbe de perte de masse est simulée en appliquant aléatoirement sur un maillage 3D, la population d'impacts estimée par la méthode inverse. / Numerical prediction of cavitation erosion requires the knowledge of flow aggressiveness, both of which have been challenging issues till-date. This thesis proposes to use an inverse method to estimate the aggressiveness of the flow from the observation of the pits printed on the surface in the first moments of the cavitation erosion. Three materials were tested in the same experimental conditions in the cavitation tunnel PREVERO available LEGI Grenoble. The geometry of the pits left on the surface is precisely measured using a systematic method to overcome the roughness effect. Assuming that each pit was generated by a single bubble collapse whose pressure field is treated as a Gaussian shape, finite element calculations are run for estimating the load that created each residual imprint. It is shown that the load distribution falls on a master curve independent of the tested material; the softer material (aluminum alloy) measuring the lowest impacts while the most resistant material (duplex stainless steel) provides access to the largest impact pressures. It is concluded that the material can be used as a pressure sensor measuring the level of aggressiveness of the flow. The inverse method is based on a material characterization taking into account strain rate effects. It is shown that nanoindentation tests are more suitable than compression tests to determine the parameters of the behavior law, particularly for the aluminum alloy for which the microstructure is very heterogeneous. High-speed compression tests with split Hopkinson pressure bars complement the constitutive law giving the sensitivity to the strain rate. Simulations considering the dynamic loading show that impacts of strong amplitude but applied in a short time do not leave any residual pit if the frequency is higher than the natural frequency of the material treated as a damped oscillator. A dynamic mechanism of plastic strain accumulation that could eventually lead to fatigue failure is proposed. Finally, the mass loss curve of cavitation erosion is simulated by applying randomly on a 3D mesh, the impact force population estimated by the inverse method.