Superkavitation an Land und in Luft?

Betrachten wir dazu die nachfolgende Abbildung:

Der obere Teil zeigt die Prinzipskizze eines rotationssymmetrischen Körpers im Querschnitt.

Im unteren Teil der Abbildung ist der Körper während seines "superkavitierenden" Laufes zu sehen.

Charakteristisch für diesen Lauf ist, dass an der Kante des kegelförmigen Kopfes die Wasserströmung abreißt und dadurch einen langgestreckten Hohlraum bildet, dessen räumliche Abmessungen größer sind als der Körper selbst, so dass der Körper im Idealfall nur mit seinem Kopf das Wasser berührt. In diesem Fall ist der Widerstand des Körpers das Produkt aus Widerstandsbeiwert des Kopfkegels, Basisfläche des Kopfkegels und Staudruck (wie an anderer Stelle dieser Website ausführlich dargelegt worden ist).

Hätte der Körper keine "Strömungsabrißkante" im Kopfbereich, so würde die volle Länge des Körpers vom Wasser umströmt und der Strömungsabriß erfolgte erst am Heck des Körpers . In diesem Falle ist der Wasserwiderstand das Produkt aus Widerstandsbeiwert des Körpers, Basisfläche des Heckkonus und Staudruck.

Im allgemeinen wird der Widerstandsbeiwert auf die größte Querschnittsfläche des Körpers bezogen; in unserem Falle also auf den Heckkonus. Für den superkavitierenden Körper bedeutet dies, dass sein effektiver auf den Heckkonus bezogener Widerstandsbeiwert um das Verhältnis Kopfquerschnittsfläche zu Heckkonusfläche verkleinert wird .

Als 1. Vorteil der Superkavitation läßt sich vereinfachend sagen:

Bei geeigneter Auslegung eines superkavitierenden Körpers wird sein Druckwiderstand um nahezu das Quadrat des Verhältnisses von Abrißkantendurchmesser zu Körperdurchmesser verkleinert und um das Verhältnis Widerstandsbeiwert Kopf zu Widerstandsbeiwert Körper vergrößert..

Wird beispielsweise ein Verhältnis Kopfdurchmesser zu Körperdurchmesser von 1/20 erreicht, so findet eine Flächenübersetzung von 1/400 statt; jedoch wird das Verhältnis der Widerstandsbeiwerte um fast den Fakor 4 heraufgesetzt. Es resultiert jedoch immer noch eine Widerstandsreduzierung auf ca. 1/100 .

Betrachten wir nochmals in der obigen Abbildung den kavitierenden Körper in seinem Wasserhohlraum. Der Gasdruck in einer Kavitationsblase ist im allgemeinen sehr niedrig, so dass es kaum Oberflächenreibung gibt. Zudem wird der Umgebungsraum zwischen Körperoberfläche und Kavitationsraum durch das nach hinten strömende Wasser evakuiert; d.h. der Gasdruck in dem Raum neben dem Körper ist geringer als hinter dem Körper. Eine geringe noch vorhandene Oberflächenreibungskraft wird durch die Druckkraft auf den Körperboden vermutlich überkompensiert.

Damit kommen wir zum 2.Vorteil der Superkavitation:

Die Oberflächenreibungskraft auf superkavitierende Körper ist vernachlässigbar.

Betrachten wir noch einmal die obige Abbildung. Der Körper füllt nur einen geringen Teil des Kavitationsraumes aus. Er reicht nicht bis in den hinteren Teil, wo sich beim Zusammenfall des Hohlraumes ein Wasserstrahl ausbildet, der nach vorne gerichtet ist. Wenn der kavitierende Körper so ausgebildet ist, dass er nahezu den ganzen Hohlraum ausfüllt, ohne jedoch die Hohlraumwand zu berühren, dann trifft der am Blasenende entstehende Strahl den Körper und gibt im Idealfall den vollen Impuls an den Körper zurück, den der Kopf beim Öffnen des Hohlraumes ans Wasser abgegeben hat. Damit wäre der Fall der widerstandslosen Bewegung in Wasser realisiert, wie er in einer idealen, reibungsfreien Flüssigkeit bereits vor 300 Jahren postuliert wurde (d'Alembert: Hydrodynamisches Paradoxon).

Dies ist der 3.Vorteil der Superkavitation:

Unter speziellen Bedingungen und mit geeigneten Körpern ist es möglich, einen mehr oder weniger großen Teil des Impulses zurückzugewinnen, der zum Öffnen des Hohlraumes erforderlich war.

Jeder der genannten Vorteile ist es Wert auf Anwendbarkeit geprüft zu werden, weil die Energie-Einsparmöglichkeiten immens erscheinen. Bisher ist die Anwendung auf den militärischen Bereich beschränkt geblieben und dort nur auf relativ bedeutungslose Bereiche. Das würde sich wahrscheinlich ändern, wenn die Vorteile der Superkavitation nicht nur in Wasser, sondern auch an Land und in Luft angewendet werden könnten.

Betrachten wir dazu noch einmal die obige Kavitationsblase und das umgebende Wasser. Wie dick muß die umgebende Wasserschicht sein, um Superkavitation noch zu ermöglichen? Denken wir uns die umgebende Wasserschicht immer dünner, bis nur noch die Blasenkontur übrig bleibt. Was übrig bleibt erinnert an eine Seifenblase. Ist das die Lösung des Energie-Problems des Verkehrs der Zukunft?

Bewegung in einer dünnhäutigen Wasserblase, welche die Fahrzeugumgebung vom Luftraum trennt?

Betrachten wir dazu den nachfolgenden Primitiv-Versuch, den jeder Gartenbesitzer ohne großen Aufwand nachbauen kann.

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