[論文レビュー] Investigation of cloud cavitation passive control method for hydrofoils using Cavitating-bubble Generators (CGs)

Ebrahim Kadivar, Ould el Moctar|ArXiv.org|Aug 4, 2018

Cavitation Phenomena in PumpsEngineering被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、OpenFOAM で PANS乱流モデルと質量移動モデルを組み合わせた Cavitating-Bubble Generator (CG) を用いて、水翼における非定常な雲状キャビテーションを被動的に制御する手法を提案している。結果として、最適化された CG は、力のフラクチュエーション、乱流速度フラクチュエーション、圧力アモプリチュードを顕著に低減するとともに、境界層を変化させることでキャビテーション損傷を抑制することが示された。

ABSTRACT

In this article, we propose a passive method to control unsteady cloud cavitation on hydrofoils using cavitation-bubble generator (CGs). This method may be used in many engineering applications, in particular in marine and turbomachinery. First, we used a Partially-averaged Navier Stokes (PANS) model for turbulence to simulate the unsteady cavitating flow and validated it based on experimental data. This model was coupled with a mass transfer model and implemented to the open source software package OpenFOAM. Second, the effect of a proper design of CGs on qualitative parameters such as cavitation structure and the shape of cavity were studied. The effect of CGs on the destructive effects of cavitation such as vibration, turbulent velocity fluctuations and high- pressure amplitude were analyzed. Our results showed that a proper design of CGs may reduce the amplitude of the force fluctuations on the hydrofoil substantially. Further on, the local boundary layer around the hydrofoil surface was altered and the turbulent velocity fluctuation was reduced significantly using this technique.

研究の動機と目的

• 非定常な雲状キャビテーションの破壊的影響を軽減するため、水翼における被動的制御手法の開発を目的とする。
• Cavitating-Bubble Generator (CG) の設計がキャビテーション構造および気泡形状に与える影響を調査することを目的とする。
• CG が振動、乱流速度フラクチュエーション、圧力アモプリチュードといった、キャビテーションに起因する損傷指標に与える影響を分析することを目的とする。
• PANSに基づくキャビテーション流れシミュレーションの正確性を実験データと照合して検証することを目的とする。
• CG が水翼表面周辺の局所的境界層発達に与える影響を評価することを目的とする。

提案手法

• 非定常キャビテーション流れを高精度にシミュレートするために、部分平均ナビエ＝ストークス (PANS) モデルを採用した。
• キャビテーション流れにおける相変化ダイナミクスを捉えるために、PANS モデルと質量移動モデルを結合した。
• 数値モデルをオープンソース CFD ソフトウェア OpenFOAM 内に実装し、計算シミュレーションを実施した。
• キャビテーション発達に与える影響を評価するために、さまざまな CG 形状を設計・数値的に検証した。
• CG の幾何形状に関するパラメトリックスタディを実施し、キャビテーション抑制に最大の効果を発揮する配置および形状を最適化した。
• 数値的手法の信頼性を確保するため、シミュレーション結果を実験データと照合して検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cavitating-Bubble Generator (CG) の配置および幾何形状は、水翼におけるキャビテーションクラウドの構造および形状にどのように影響を与えるか？
• RQ2 CG は、雲状キャビテーションに起因する非定常力のフラクチュエーションをどの程度低減できるか？
• RQ3 CG は、キャビテーション流れにおける乱流速度フラクチュエーションおよび圧力アモプリチュードにどのように影響を与えるか？
• RQ4 CG は、水翼表面付近の局所的境界層発達にどのような影響を与えるか？
• RQ5 実験データと照合した場合、PANS モデルはキャビテーション流れの挙動を正確に予測できるか？

主な発見

• 適切に設計された Cavitating-Bubble Generator (CG) は、水翼に作用する力のフラクチュエーションの振幅を顕著に低減しており、非定常キャビテーション荷重の効果的抑制を示している。
• CG の存在および最適化設計のおかげで、流れ場内の乱流速度フラクチュエーションが著しく低減された。
• 水翼表面周囲の局所的境界層は、キャビテーションの強度と不安定性を低減する方向に変化した。
• 実験データと照合した結果、PANS モデルと質量移動モデルを組み合わせたモデルは、キャビテーション流れの挙動を正確に予測できた。
• CG は効果的にキャビテーション構造を変化させ、より安定的で破壊的でない気泡形成を実現した。
• キャビテーション崩壊に伴う高圧力アモプリチュードは、戦略的な CG 結合によって顕著に低減された。