Kavitation und Druckstoß: Grundlagen der Hydrodynamik

Was ist Kavitation?

Kavitation oder Saugvakuum ist ein hydrodynamischer Effekt, der auftritt, wenn Wasser oder eine andere Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit über eine scharfe Kante fließt. Dies erzeugt eine Dekompression der Flüssigkeit durch die Erhaltung der Bernoulli-Konstante (Bernoulli-Prinzip). Es kann passieren, dass der Dampfdruck der Flüssigkeit erreicht wird, sodass die Moleküle, aus denen sie besteht, sofort ihren Zustand in Wasserdampf ändern und Blasen oder, richtiger gesagt, Hohlräume bilden.

Die gebildeten Blasen wandern in Gebiete mit höherem Druck und implodieren (der Dampf kehrt plötzlich in den flüssigen Zustand zurück, was die Blasen abrupt „abflacht“). Dies erzeugt eine Gasspur und einen Aufprall auf die Metalloberfläche, was die Ursache für diese Erscheinung ist.

Druckseitige Kavitation (Entlastungskavitation)

Druckseitige Kavitation tritt auf, wenn der Druck am Auslass der Pumpe zu hoch ist. Dies geschieht normalerweise, wenn eine Pumpe an einem Betriebspunkt mit weniger als 10 % ihres optimalen Wirkungsgrads arbeitet.

Saugseitige Kavitation

Saugseitige Kavitation tritt auf, wenn der Saugdruck der Pumpe unter Bedingungen von niedrigem Druck oder hohem Vakuum steht, was dazu führt, dass die Flüssigkeit am Eingang des Laufrads zu Dampf wird.

Druckstoß (Wasserschlag)

Ein Druckstoß wird verursacht, weil die Flüssigkeit leicht elastisch ist (obwohl sie in verschiedenen Situationen als inkompressibel betrachtet werden kann). Wenn folglich eine Armatur oder ein installierter Wasserhahn am Ende einer längeren Leitung abrupt geschlossen wird, werden die Flüssigkeitsteilchen, deren Bewegung gestoppt wurde, von den unmittelbar dahinter liegenden Teilchen zusammengedrückt, die noch in Bewegung sind. Dadurch entsteht ein Druck, der sich mit einer Geschwindigkeit durch das Rohr bewegt, die die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit überschreiten kann.

Dieser Druck hat zwei Effekte: Er komprimiert die Flüssigkeit leicht, was ihr Volumen verringert, und weitet das Rohr ein wenig aus. Wenn der gesamte Flüssigkeitsfluss im Rohr gestoppt wird, endet die Dynamik der Kompression, und die Flüssigkeit neigt dazu, sich wieder auszudehnen. Da sich zudem das Rohr leicht geweitet hatte, strebt es danach, wieder seine normale Größe anzunehmen. Zusammen bewirken diese Effekte eine weitere Druckwelle in die entgegengesetzte Richtung.

Die Flüssigkeit bewegt sich nun in die entgegengesetzte Richtung; da das Ventil jedoch geschlossen ist, entsteht ein Unterdruck im Vergleich zum Normaldruck des Rohres. Bei diesem verminderten Druck kann die Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand übergehen, wobei sich Blasen bilden und das Rohr sich zusammenzieht. Bei Erreichen des anderen Endes der Leitung – wenn die Welle dort nicht abgeführt wird (zum Beispiel durch ein Reservoir unter atmosphärischem Druck) – wird sie reflektiert. Dieser Vorgang wird allmählich durch den Widerstand der Flüssigkeit gegen Kompression und Expansion gedämpft.