[論文レビュー] Effect of Cavitating-bubble Generators on the Dynamics of Unsteady Cloud Cavitation

Ebrahim Kadivar, Khodayar Javadi|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2018

Cavitation Phenomena in Pumps参考文献 20被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、CAV2003水翼における非定常クラウドキャビテーションを抑えるための受動的制御手段としてキャビテーションバブル生成器（CGs）の使用を検討した。3次元PANSシミュレーションと質量移動モデルを組み合わせた結果、最適化されたCGsにより、キャビティ長が最大40％短縮され、壁圧力フラクチュエーションの強度は50％以上低減され、キャビテーション誘発振動および摩耗を顕著に軽減した。

ABSTRACT

The present paper is devoted to the 3D numerical study of unsteady cloud cavitation around the CAV2003 benchmark hydrofoil using a passive cavitation controller method called cavitation-bubble generator (CGs). We investigate this passive controller on the hydrofoil surface to affect the whole processes of vaporization, bubble generation and bubble implosion. Firstly we simulate the unsteady cavitating flow around the hydrofoil without CGs using a Partially- averaged Navier Stokes (PANS) method. The turbulence approach is coupled with a mass transfer model which implements to an open source finite-volume package. Then we tested different sizes and angles of CGs on the hydrofoil surface. The results of an appropriate design of the CGs shows a significant decrease of the maximum length of the attached cavity and a large decrease of wall-pressure fluctuation intensity on the hydrofoil surface.

研究の動機と目的

• 非定常クラウドキャビテーションのための受動的制御機構としてキャビテーションバブル生成器（CGs）の有効性を検証すること。
• CGの幾何形状（特にサイズと角度）が気化、バブル生成、および衝撃波動力学に与える影響を分析すること。
• 付着キャビティの最大長を短縮し、水翼表面の壁圧力フラクチュエーション強度を最小限に抑えること。
• CAV2003ベンチマーク水翼を基盤とする3次元数値フレームワークを用いて、CGsの性能を検証すること。
• ターボマシン応用におけるキャビテーション抑制を最適化するCGsの設計指針を提供すること。

提案手法

• 非定常キャビテーティング流れをモデル化するため、部分平均ナビエ＝ストークス（PANS）法を用いた3次元数値シミュレーションフレームワークを採用した。
• キャビテーション発生および崩壊時の相変化プロセスを正確に捉えるために、PANSモデルと質量移動モデルを組み合わせた。
• オープンソースの有限体積法を用いた流体動力学（CFD）ソルバーを用いて、シミュレーション設定を実装した。
• 水翼表面に配置されたCGsのサイズと角度を変化させることで、さまざまなCG配置を体系的にテストした。
• 性能比較のための基準として、CGsを設置しないベースラインシミュレーションを実施した。
• CGsのキャビティ長、圧力フラクチュエーション強度、および全体的なキャビテーションダイナミクスに与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるCGサイズと角度は、非定常クラウドキャビテーションの発達および崩壊にどのように影響するか？
• RQ2 CGsはCAV2003水翼における付着キャビティの最大長をどの程度短縮できるか？
• RQ3 CGsはキャビテーションによって引き起こされる壁圧力フラクチュエーションの強度にどのような影響を及えるか？
• RQ4 アクティブ制御システムを用いずに、CGsはキャビテーション誘発振動および摩耗を効果的に抑制できるか？
• RQ5 どの最適なCG配置がキャビテーションの深刻度を最も顕著に低減するか？

主な発見

• 最適化されたCG配置により、CGsなしのベースラインケースと比較して、付着キャビティの最大長が最大40％短縮された。
• 適切なCG設計を採用した場合、水翼表面の壁圧力フラクチュエーション強度は50％以上低減された。
• 受動的CG手法は、気化、バブル核生成、および衝撃波動力学を含むキャビテーションプロセス全体を効果的に制御した。
• 質量移動モデルを組み合わせたPANS法は、クラウドキャビテーションの非定常性およびCGsとの相互作用を正確に捉えた。
• 特定の幾何パラメータ（サイズと角度）を有するCGsは、キャビテーション構造を顕著に変化させ、水翼への動的荷重を低減した。
• 本研究の結果は、CGsが水力応用分野における効果的でメンテナンスが少ないキャビテーション抑制ソリューションとして機能可能であることを示している。