[論文レビュー] A numerical model to predict unsteady cavitating flow behaviour in inducer blade cascades

Olivier Coutier-Delghosa, J. Perrin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2020

Cavitation Phenomena in Pumps被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、4枚羽根のロケットエンジンインダクター・キャスケード内のキャビテーション流れをシミュレートするために、均一混合相法と圧縮性状態方程式を用いた2次元非定常キャビテーションモデルを構築した。このモデルは、圧力補正有限体積法に基づくもので、流量とキャビテーション数に依存する2つの不安定な回転キャビテーションモード（準同期および超同期）を特定し、非定常条件下でのブレード応力の変動を定量的に予測した。

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.

研究の動機と目的

• 4枚羽根のロケットエンジンターボポンプインダクター・キャスケードにおける非定常キャビテーション流の挙動をシミュレートすること。
• 異なる流量条件下における不安定な回転キャビテーション現象のメカニズムを調査すること。
• キャビティの動的挙動に起因するブレード表面における非定常圧力および応力の変動を定量すること。
• 圧縮性状態方程式を用いた数値モデルのキャビテーション始発および発達を予測する能力を検証すること。
• 流量とキャビテーション数が回転キャビテーションの発生および特徴に及ぼす影響を分析すること。

提案手法

• 実際の4枚羽根ロケットエンジンインダクターから抽出した羽根キャスケードの幾何形状に基づいて、2次元数値モデルを構築した。
• 均一混合相法は、液体・蒸気混合系を密度が変化する単相流体として扱い、圧縮性状態方程式に従って記述した。
• 空間離散化には有限体積法を用い、質量および運動量の保存を確保した。
• SIMPLEスキームに基づく圧力補正アルゴリズムを適用し、質量保存を満たし、圧力-速度場を結合した。
• 流れの流量とキャビテーション数を変化させた条件下で、羽根吸気面に付着するシートキャビティの瞬時的挙動を捉えた。
• 非定常シミュレーションを実施し、回転キャビテーションモードの特定および特徴付け（周波数および空間的変化）を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流量とキャビテーション数は、インダクター羽根吸気面上のシートキャビティの形成および安定性にどのように影響するか？
• RQ2 キャスケード内での準同期および超同期回転キャビテーションが生じるメカニズムは何か？
• RQ3 非定常キャビティの動的挙動は、どのようにしてブレード表面に圧力変動および動的荷重を生成するか？
• RQ4 圧縮性状態方程式を用いた均一混合相モデルは、インダクター・キャスケード内の非定常キャビテーション流挙動をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 異なる運転条件下における回転キャビテーションの特徴的な周波数および空間的パターンは何か？

主な発見

• 流量とキャビテーション数に応じて、2つの明確な不安定な回転キャビテーションモード（準同期および超同期）が特定された。
• 低流量条件下では準同期キャビテーションが観察され、キャビティの回転周波数が羽根間隔周波数未満であった。
• 高流量条件下では超同期キャビテーションが発生し、キャビティの回転周波数が羽根間隔周波数を超えていた。
• モデルは、シートキャビティの非定常的発達およびそれらの回転構造への移行を効果的に捉えた。
• 回転キャビティの通過に起因してブレード表面に顕著な圧力変動が生じ、測定可能な応力振幅が推定された。
• 圧縮性状態方程式は、液体・蒸気混合系の熱力学的挙動を効果的に表現でき、キャビティの成長および崩壊の正確な予測を可能にした。