[论文解读] Effect of Cavitating-bubble Generators on the Dynamics of Unsteady Cloud Cavitation

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

Cavitation Phenomena in Pumps参考文献 20被引用 11

一句话总结

本研究探讨了空化气泡发生器（CGs）作为被动控制器在抑制 CAV2003 水翼上非定常云状空化方面的应用。通过结合三维 PANS 模拟与质量传递模型，优化后的 CGs 将空腔长度减少了高达 40%，并将壁面压力脉动强度降低了 50%以上，显著减轻了空化引起的振动与侵蚀。

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.

研究动机与目标

• 探讨空化气泡发生器（CGs）作为非定常云状空化被动控制机制的有效性。
• 分析 CG 几何参数（特别是尺寸与角度）对汽化、气泡生成及坍缩动力学的影响。
• 减小附着空腔的最大长度，并最小化水翼表面的壁面压力脉动强度。
• 基于 CAV2003 基准水翼的三维数值框架验证 CG 的性能。
• 为涡轮机械应用中优化空化抑制效果的 CG 设计提供指导原则。

提出的方法

• 采用基于部分平均纳维-斯托克斯（PANS）方法的三维数值模拟框架，模拟非定常空化流场。
• 将 PANS 模型与质量传递模型耦合，精确捕捉空化起始与溃灭过程中的相变行为。
• 使用开源有限体积计算流体动力学（CFD）求解器实现模拟设置。
• 通过改变 CG 在水翼表面的尺寸与角度，系统测试多种 CG 配置。
• 进行无 CG 的基准模拟，以建立性能对比的对照组。
• 评估 CG 对空腔长度、压力脉动强度及整体空化动力学的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同 CG 尺寸与角度如何影响非定常云状空化的形成与溃灭过程？
• RQ2 CG 能在多大程度上减少 CAV2003 水翼上附着空腔的最大长度？
• RQ3 CG 对由空化引起的壁面压力脉动强度有何影响？
• RQ4 CG 是否能在无需主动控制系统的情况下有效抑制空化引起的振动与侵蚀？
• RQ5 何种最优 CG 配置可实现空化严重程度的最大程度降低？

主要发现

• 优化后的 CG 配置使附着空腔最大长度相比无 CG 的基准情况减少了高达 40%。
• 采用合适 CG 设计后，水翼表面的壁面压力脉动强度降低了 50%以上。
• 被动式 CG 方法有效控制了整个空化过程，包括汽化、气泡成核及坍缩动力学。
• 结合质量传递模型的 PANS 方法准确捕捉了云状空化的非定常特性及其与 CG 的相互作用。
• 具有特定几何参数（尺寸与角度）的 CG 显著改变了空化结构，并降低了水翼上的动态载荷。
• 结果表明，CG 可作为一种高效、低维护的空化抑制解决方案，适用于流体动力学应用。