[논문 리뷰] A numerical model to predict unsteady cavitating flow behaviour in inducer blade cascades

Olivier Coutier-Delghosa, J. Perrin외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 13.

Cavitation Phenomena in Pumps인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 2D 비정상적 낙관 모델을 개발하여 4차 블레이드 로켓 엔진 인젝터 캐스케이드에서의 낙관 유동을 시뮬레이션한다. 모델은 균질한 혼합 모델과 비압축성 상태 법칙을 기반으로 하며, 압력 보정 유한체적 방법에 기반하여 구축된다. 이 모델은 유량과 낙관 수치에 따라 연관된 두 가지 불안정한 회전 낙관 모드—저동조 및 고동조—를 식별하였으며, 비정상 조건에서 블레이드 응력 변동을 정량화하였다.

ABSTRACT

The cavitation behaviour of a four-blade rocket engine turbopump inducer is simulated. A 2D numerical model of unsteady cavitation was applied to a blade cascade drawn fromthe inducer geometry. The physical model is based on a homogeneous approach of cavitation, coupled with a barotropic state law for the liquid/vapour mixture. The numericalresolution uses a pressure-correction method derived from the SIMPLE algorithm and a finite volume discretization. Unsteadybehaviour of sheet cavities attached to the blade suction side depends on the flow rate and cavitation number. Two differentunstable configurations of rotating cavitation, respectively sub-synchronous and super-synchronous, are identified. The mechanisms that are responsible for these unstable behaviours are discussed, and the stress fluctuations induced on the blade by the rotating cavitation are estimated.

연구 동기 및 목표

• 4차 블레이드 로켓 엔진 터보펌프 인젝터 캐스케이드에서의 비정상적 낙관 유동 거동을 시뮬레이션하기 위해.
• 다양한 유량 조건에서 불안정한 회전 낙관 현상의 메커니즘을 조사하기 위해.
• 낙관 역학에 의해 유도되는 블레이드 표면의 비정상적 압력 및 응력 변동을 정량화하기 위해.
• 비압축성 상태 법칙을 사용하여 낙관 기원 및 발전을 예측할 수 있는 수치 모델의 능력을 검증하기 위해.
• 유량과 낙관 수치가 회전 낙관의 발생 및 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• 실제 4차 블레이드 로켓 엔진 인젝터에서 추출한 블레이드 캐스케이드 기하구조를 기반으로 2D 수치 모델을 구축하였다.
• 균질한 혼합 모델은 액체-증기 혼합물을 압력에 따라 변화하는 밀도를 가지는 단일상 유체로 간주한다.
• 공간 이산화에 유한체적 방법을 사용하여 질량 및 운동량의 보존을 보장하였다.
• SIMPLE 알고리즘에서 유도된 압력 보정 알고리즘을 적용하여 질량 보존을 확보하고 압력-속도 필드를 결합하였다.
• 유량과 낙관 수치의 변화에 따라 블레이드 흡입면에 부착된 시트 낙관의 일시적 거동을 캡처하였다.
• 비정상 시뮬레이션을 수행하여 회전 낙관 모드의 식별 및 특성화를 수행하였으며, 주파수 및 공간적 변화를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유량과 낙관 수치는 인젝터 블레이드 흡입면에 형성되는 시트 낙관의 형성과 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 블레이드 캐스케이드에서 저동조 및 고동조 회전 낙관이 발생하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 비정상적 낙관 역학은 어떻게 블레이드 표면의 압력 변동과 동적 하중을 유도하는가?
• RQ4 균질한 혼합 모델과 비압축성 상태 법칙을 사용할 경우, 인젝터 캐스케이드에서의 낙관 유동 비정상적 거동을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 다른 운전 조건에서 회전 낙관의 특성 주파수와 공간적 패턴은 무엇인가?

주요 결과

• 흐름 속도와 낙관 수치에 따라 두 가지 구분되는 불안정한 회전 낙관 모드—저동조 및 고동조—가 확인되었다.
• 저동조 낙관은 낮은 유량에서 관찰되었으며, 낙관의 회전 주파수가 블레이드 간극 주파수 이하였다.
• 고동조 낙관은 높은 유량에서 발생하였으며, 낙관의 회전 주파수가 블레이드 간극 주파수를 초과하였다.
• 모델은 시트 낙관의 비정상적 진화 및 그들이 회전 구조로 전이되는 과정을 성공적으로 캡처하였다.
• 회전 낙관의 통과로 인해 블레이드 표면에 심한 압력 변동이 유도되었으며, 측정 가능한 응력 진폭이 추정되었다.
• 비압축성 상태 법칙은 액체-증기 혼합물의 열역학적 거동을 효과적으로 표현하여 낙관의 성장 및 붕괴를 정확하게 예측하는 데 기여하였다.