[논문 리뷰] Effect of Cavitating-bubble Generators on the Dynamics of Unsteady Cloud Cavitation

Ebrahim Kadivar, Khodayar Javadi|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 13.

Cavitation Phenomena in Pumps참고 문헌 20인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 CAV2003 수익형에서 불안정한 클라우드 캐비테이션을 억제하기 위한 수동 제어기로 캐비테이션 기포 발생기(CG)의 사용을 조사한다. 3D PANS 시뮬레이션과 질량 이동 모델을 결합하여 최적화된 CG는 캐비티 길이를 최대 40% 감소시키고, 벽면 압력 변동 강도를 50% 이상 감소시켜 캐비테이션 유도 진동과 부식을 크게 완화한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 불안정한 클라우드 캐비테이션에 대한 캐비테이션 기포 발생기(CG)의 수동 제어 메커니즘의 효과성을 조사하는 것.
• 크기와 각도와 같은 CG 형상이 증기화, 기포 생성 및 붕괴 역학에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 부착 캐비티의 최대 길이를 줄이고 수익형 표면에서의 벽면 압력 변동 강도를 최소화하는 것.
• CAV2003 기준 수익형을 기반으로 한 3D 수치 프레임워크를 사용하여 CG의 성능을 검증하는 것.
• 터보기계 응용 분야에서 캐비테이션 억제를 최적화하는 CG 설계 지침을 제공하는 것.

제안 방법

• 불안정한 캐비테이팅 유동을 모델링하기 위해 부분 평균 나비에-스토크스(PANS) 방법을 사용한 3D 수치 시뮬레이션 프레임워크를 활용했다.
• 캐비테이션 기인 및 붕괴 과정 중의 상변화를 정확히 포착하기 위해 PANS 모델에 질량 이동 모델을 결합했다.
• 오픈소스 유한체적 수치 유체역학(CFD) 해석 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션 설정을 구현했다.
• 수익형 표면에 있는 CG의 크기와 각도를 변화시켜 다양한 CG 구성 조합을 체계적으로 시험했다.
• 성능 비교를 위한 기준선으로 CG가 없는 경우의 시뮬레이션을 수행했다.
• CG의 영향을 캐비티 길이, 압력 변동 강도 및 전체 캐비테이션 역학에 대해 평가했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 CG 크기와 각도는 불안정한 클라우드 캐비테이션의 발달과 붕괴에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 CAV2003 수익형에서 CG는 부착 캐비티의 최대 길이를 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 CG는 캐비테이션에 의해 유도되는 벽면 압력 변동 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 활동적 제어 시스템 없이도 CG는 캐비테이션 유도 진동과 부식을 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ5 어느 최적의 CG 구성이 캐비테이션 심각도를 가장 크게 감소시키는가?

주요 결과

• 최적화된 CG 구성은 CG가 없는 기준 사례 대비 부착 캐비티의 최대 길이를 최대 40% 감소시켰다.
• 적절한 CG 설계를 통해 수익형 표면의 벽면 압력 변동 강도가 50% 이상 감소했다.
• 수동 CG 방법은 증기화, 기포 핵형성 및 붕괴 역학을 포함한 전체 캐비테이션 과정을 효과적으로 제어했다.
• 질량 이동 모델을 갖춘 PANS 방법은 클라우드 캐비테이션의 비정상성과 CG와의 상호작용을 정확히 포착했다.
• 특정 기하학적 파rameter(크기 및 각도)를 가진 CG는 캐비테이션 구조를 크게 변화시켰고, 수익형에 작용하는 동적 하중을 감소시켰다.
• 결과적으로 CG는 수동 유지보수가 필요 없는 효과적인 솔루션으로서 유압 응용 분야에서 캐비테이션 억제에 기여할 수 있음을 보여주었다.