[論文レビュー] Evaluation of a new cavitation erosion metric based on fluid-solid energy transfer in channel flow simulations

Gina M. Magnotti, Michele Battistoni+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2018

Cavitation Phenomena in Pumps参考文献 16被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、インジェクタの穴あき部における腐食の可能性を予測するため、蓄積された流体-固体間エネルギー移動に基づく新しいキャビテーション腐食指標を提案する。チャネル流れのシミュレーションにおいてEuler流体混合モデルを用い、蓄積エネルギー指標は最大局所圧力よりも優れている。実験データと照合された結果、材料腐食の潜伏期間を正確に捉えていることが確認された。

ABSTRACT

Although there have been extensive investigations characterizing cavitation phenomenon in fuel injectors, much is still unknown about the mechanisms driving cavitation-induced erosion, and how these complicated physics should be represented in a model. In lieu of computationally expensive fluid-structure interaction modeling, the Eulerian mixture modeling approach has been accepted as an efficient means of capturing cavitation phenomena. However, there remains a need to link the erosive potential of cloud collapse events with the subsequent material deformation and damage of neighboring surfaces. Even though several cavitation erosion indices have been proposed in the literature, no single metric has been identified as universally applicable across all injector-relevant conditions. The objective of this work is to identify parameters that characterize the erosive potential of cavitation cloud collapse mechanisms that are likely to occur within injector orifices. While a commonly employed cavitation erosion metric, namely the maximum local pressure, was found to provide indications of potential sites for pitting and material rupture from single impact events, no additional information could be determined regarding the material erosion process. To improve representation of the incubation period within the cavitation erosion process, a new metric was derived based on cumulative energy absorbed by the solid material from repeated hydrodynamic impacts. Through evaluation of predicted cavitation cloud collapse events in a channel geometry against available experimental data, the stored energy metric yielded insight into the erosive potential of recorded impact events. The stored energy metric provided a means to accurately predict the influence of flow conditions on the incubation period before material erosion. ...

研究の動機と目的

• インジェクタに適用可能な普遍的なキャビテーション腐食指標の欠如に応える。
• キャビテーション誘発腐食における潜伏段階のモデリングを改善し、材料損傷の発生時期を予測する上で不可欠である。
• 腐食の可能性を捉えるために、流体-構造連成解析の代替として計算効率の高い手法を開発する。
• エネルギーベースの指標を用いて、流体的衝撃イベントと材料の塑性変形・損傷を結びつける。
• 実験データと照合することで、新しい指標の腐食発生予測能力を評価する。

提案手法

• 流体-構造連成解析を回避するため、チャネル幾何形状におけるキャビテーションをEuler流体混合モデルでシミュレーションする。
• 各タイムステップで、崩壊するキャビテーションクラウドから固体壁へ移動するエネルギーを計算する。
• 繰り返し発生する衝撃イベントにおけるこのエネルギーを蓄積し、累積蓄積エネルギー指標を定義する。
• 比較のための基準指標として、最大局所圧力を用いる。
• 蓄積エネルギー指標と実験的腐食潜伏期間のデータを相関付ける。
• 異なる流れ条件下での蓄積エネルギー指標の予測性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 累積エネルギー移動指標は、最大局所圧力よりも腐食の潜伏期間をよりよく予測できるか？
• RQ2 蓄積エネルギー指標は、インジェクタに類似した幾何形状における腐食発生の実験的観察とどの程度相関するか？
• RQ3 新しい指標は、流れ条件が腐食の可能性に与える影響をどの程度正確に捉えられるか？
• RQ4 蓄積エネルギー指標は、単一衝撃圧力の範囲を越えて、材料損傷メカニズムに関する追加の知見を提供するか？
• RQ5 蓄積エネルギー指標は、完全な流体-構造連成モデルの代替として信頼性があり、計算効率の良いものとして機能できるか？

主な発見

• 蓄積エネルギー指標は、材料腐食が発生するまでの流れ条件の影響を成功裏に予測した。
• 最大局所圧力とは異なり、潜在的なピット発生部位を示すだけではなく、腐食の進行的性質を捉えた。
• 圧力ベースのインデックスと比較して、腐食発生の実験的データとの相関が向上した。
• 繰り返し発生する流体的衝撃からの累積エネルギー吸収は、ピーク圧力のみに依存するのとは対照的に、腐食予測においてより情報を提供した。
• 繰り返し発生する低強度の衝撃による、高腐食可能性領域の同定が可能になった。
• 流体-構造連成解析の代替として、計算効率が高く、腐食潜伏期間の予測精度を維持する手法を提供した。