[论文解读] Investigation of cloud cavitation passive control method for hydrofoils using Cavitating-bubble Generators (CGs)

Ebrahim Kadivar, Ould el Moctar|ArXiv.org|Aug 4, 2018

Cavitation Phenomena in PumpsEngineering被引用 17

一句话总结

本研究提出一种基于空化气泡发生器（CGs）的被动控制方法，用于抑制水翼上的非定常云状空化现象，采用OpenFOAM中的大涡模拟（PANS）湍流模型耦合质量传递模型。结果表明，经过优化的CGs能显著降低力波动、湍流速度波动和压力振幅，同时改变边界层结构以抑制空化损伤。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于控制水翼上非定常云状空化现象的被动方法，以减轻其破坏性影响。
• 研究空化气泡发生器（CG）设计对空化结构和空腔形状的影响。
• 分析CGs对关键空化诱发损伤指标（振动、湍流速度波动和压力振幅）的影响。
• 通过实验数据验证基于PANS的空化流模拟，确保其准确性。
• 评估CGs对水翼表面附近局部边界层发展的影响。

提出的方法

• 采用部分平均纳维-斯托克斯（PANS）模型，以高精度模拟非定常空化流。
• 将PANS模型与质量传递模型耦合，以捕捉空化流中的相变动力学。
• 在开源CFD软件OpenFOAM中实现数值模型，开展计算模拟。
• 设计并数值测试了多种CG配置，以评估其对空化发展的影响。
• 对CG几何参数开展参数化研究，以优化其位置与形状，实现最大空化抑制效果。
• 通过实验数据验证模拟结果，确保数值方法的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 空化气泡发生器（CGs）的布置位置与几何形状如何影响水翼上空化云的结构与形状？
• RQ2 CGs在多大程度上可减少由云状空化引起的非定常力波动？
• RQ3 CGs如何影响空化流中的湍流速度波动与压力振幅？
• RQ4 CGs对水翼表面附近局部边界层发展有何影响？
• RQ5 当与实验数据对比时，PANS模型能否准确预测空化流行为？

主要发现

• 经过合理设计的空化气泡发生器（CG）显著降低了水翼上的力波动幅值，表明其有效抑制了非定常空化载荷。
• 由于CGs的存在及其优化设计，流场中的湍流速度波动显著降低。
• CGs改变了水翼表面附近的局部边界层结构，有助于降低空化强度与不稳定性。
• 在与实验数据对比验证后，PANS模型与质量传递模型的耦合能够准确预测空化流行为。
• CGs有效改变了空化结构，使空腔形成更加稳定且破坏性更小。
• 通过合理布置CGs，与空化溃灭相关的高压振幅显著降低。