[논문 리뷰] Investigation of cloud cavitation passive control method for hydrofoils using Cavitating-bubble Generators (CGs)

Ebrahim Kadivar, Ould el Moctar|ArXiv.org|2018. 08. 04.

Cavitation Phenomena in PumpsEngineering인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 Cavitating-Bubble Generator(이하 CG)를 사용하여 수익체에서의 불안정한 클라우드 캐비테이션을 피사동 제어하는 방법을 제안한다. OpenFOAM에서 PANS 난류 모델과 질량 이동 모델을 결합하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 결과적으로 최적화된 CG는 힘의 변동, 난류 속도 변동 및 압력 진폭을 크게 감소시키고, 경계층을 수정하여 캐비테이션 손상을 억제하는 데 기여하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 수익체에서의 불안정한 클라우드 캐비테이션을 피사동으로 제어하여 그 파괴적 영향을 완화하는 방법을 개발한다.
• Cavitating-Bubble Generator(CG)의 설계가 캐비테이션 구조와 기포 형상에 미치는 영향을 조사한다.
• CG가 진동, 난류 속도 변동 및 압력 진폭과 같은 주요 캐비테이션 유도 손상 지표에 미치는 영향을 분석한다.
• 정확성을 확보하기 위해 PANS 기반의 캐비티 흐름 시뮬레이션을 실험 데이터와 비교 검증한다.
• CG가 수익체 표면 주변 국소 경계층 형성에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 높은 정확도로 불안정한 캐비티 흐름을 시뮬레이션하기 위해 부분 평균 나비에-스토크스(PANS) 모델을 적용하였다.
• 캐비티 흐름에서의 상변화 역학을 포착하기 위해 PANS 모델과 질량 이동 모델을 결합하였다.
• 수치 모델을 개방 소스 CFD 소프트웨어인 OpenFOAM 내에 구현하여 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• 캐비티 개발에 미치는 영향을 평가하기 위해 다양한 CG 구성을 설계하고 수치적으로 테스트하였다.
• 최대한의 캐비티 억제 효과를 얻기 위해 CG 기하학적 형상에 대한 파arametric 연구를 수행하였다.
• 수치적 접근의 신뢰성을 확보하기 위해 시뮬레이션 결과를 실험 데이터와 비교 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cavitating-Bubble Generator(CG)의 위치와 기하학적 형상이 수익체에서의 캐비티 클라우드의 구조와 형상에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 CG는 클라우드 캐비테이션에 의해 유발되는 불안정한 힘의 변동을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 CG는 캐비티 흐름에서 난류 속도 변동과 압력 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CG는 수익체 표면 근처의 국소 경계층 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실험 데이터와의 비교 검증을 통해 PANS 모델은 캐비티 흐름 거동을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 적절히 설계된 Cavitating-Bubble Generator(CG)는 수익체의 힘 변동 진폭을 크게 감소시켜 불안정한 캐비티 하중의 효과적 억제를 나타낸다.
• CG의 존재와 최적화된 설계 덕분에 유동장 내 난류 속도 변동이 뚜렷이 감소하였다.
• 수익체 표면 주변의 국소 경계층이 캐비티 강도와 불안정성을 감소시키는 방향으로 변화하였다.
• 실험 데이터와의 비교 검증을 통해 PANS 모델과 질량 이동 모델을 결합한 모델이 캐비티 흐름 거동을 정확하게 예측하였다.
• CG는 캐비티 구조를 효과적으로 수정하여 더 안정적이고 파괴성이 낮은 기포 형성으로 이어졌다.
• 캐비티 붕괴와 관련된 고압 진폭이 전략적인 CG 통합으로 뚜렷이 감소하였다.