ISSN 1300 - 1973

Quick Search




Laparoscopic Endoscopic Surgical Science Cavitating Flow Investigations Around the Delft Hydrofoil [GMO SHIPMAR]
GMO SHIPMAR. 2019; 25(215): 12-27

Cavitating Flow Investigations Around the Delft Hydrofoil

Onur Usta
Department of Naval Architecture and Marine Engineering, Naval Academy, National Defense University, Istanbul, Turkey

In this study, cavitating flow modeling around the Delft hydrofoil by using Computational Fluid Dynamics (CFD) is presented. In this context, 2 different cavitating flow conditions around the 3-D Delft hydrofoil are simulated. Drag and lift forces, cavitation volume on the hydrofoil and cavitation pattern are processed via CFD analysis. The results obtained from the CFD analysis are validated by the cavitation tunnel test results besides the results of various numerical analysis studies obtained from the literature.
In order to model the cavitation accurately with CFD; all properties of cavitating flows such as turbulence, unsteady pressure and velocity fluctuations, two-phase flow, mass transfer from liquid phase to vapor phase, three-dimensionality, viscosity, dynamics of cavitation bubbles and interactions between bubbles should also be included in the solution. In this study, cavitating flow is simulated by using various models for the aforementioned properties by means of rapidly developing computational technology. Three-dimensional, unsteady cavitating flow around the hydrofoil is solved by the Detached Eddy Simulation (DES) technique with the SST Menter k-⍵ turbulence model. Two phase flow is modelled by the Volume of Fluid (VOF) method. Cavitation is modeled by the Schnerr-Sauer cavitation model, which solves the simplified Rayleigh-Plesset bubble equation. In the analysis, simulations are carried out initially using normal meshes. Thus the regions, where high pressure, velocity fluctuations and cavitation occur are determined. Then the mesh is refined in those regions. Eventually, the regions where high pressure and velocity fluctuations and cavitation occur, have better mesh resolution. Also, the mesh density in the all computational domain is increased and the mesh is enhanced to match the DES model. In this way, the computational errors related to the mesh has been minimized. In addition, the analyses are repeated with three systematically refined meshes and three different time steps. Numerical uncertainties of the analysis under simulated flow conditions are calculated by using lift force results obtained from these analysis and it is demonstrated that the study is independent of grid and time.

Keywords: Delft Hydrofoil, Cavitation Modelling, Detached Eddy Simulation (DES), Schnerr-Sauer Cavitation Model.

Delft Hidrofoili Etrafında Kavitasyonlu Akış İncelemeleri

Onur Usta
Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bölümü, Deniz Harp Okulu, Milli Savunma Üniversitesi, İstanbul, Türkiye

Bu çalışmada, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak Delft hidrofoili etrafındaki kavitasyonlu akış modellemesi sunulmaktadır. Bu kapsamda 3 boyutlu Delft hidrofoilinin, 2 farklı kavitasyonlu akış koşulunda direnç ve kaldırma kuvvetleri, hidrofoilin yüzeyi üzerinde oluşan kavitasyonun hacmi ve hidrofoil yüzeyinde oluşan kavitasyon paterni HAD analizleri ile elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar literatürden alınan hem kavitasyon tüneli deney sonuçları ile, hem de çeşitli sayısal analiz çalışmaları sonuçları ile kıyaslanarak oluşturulan HAD modelinin geçerlemesi sağlanmıştır.
Kavitasyonu HAD ile doğru bir şekilde modelleyebilmek için; kavitasyonlu bir akışın özellikleri olan türbülans, zamana göre ani hız ve basınç dalgalanmaları, iki fazlı akış, sıvı fazdan buhar fazına geçişteki kütle transferi, üç boyutluluk, viskozite, kavitasyon kabarcıklarının dinamiği ve kabarcıklar arasındaki etkileşim gibi özelliklerin hepsi aynı anda çözüme dahil edilmelidir. Bu çalışmada, kavitasyonlu akıştaki yukarıda bahsedilen özellikler çeşitli modeller kullanılarak hızla gelişen hesaplama teknolojisi vasıtasıyla modellenmiştir. Sayısal analizlerde üç boyutlu, zamana bağlı kavitasyonlu akışın çözdürülmesinde Ayrık Girdap Simülasyonu (DES) modeli kullanılmıştır. Türbülans, SST Menter k-⍵ türbülans modeli ile, iki fazlı akış VOF (Volume of Fluid) ile ve kavitasyon da basitleştirilmiş Rayleigh-Plesset kabarcık denklemine dayanan Schnerr-Sauer kavitasyon modeli ile çözdürülmüştür. Analizler ilk önce incelenen iki akış koşulu için oluşturulan normal ağ örgüleri ile koşturularak basınç ve hız dalgalanmaları ile kavitasyon oluşan bölgeler belirlenmiştir. Sonrasında bu bölgelerdeki ağ örgüsü sıklaştırılıp iyileştirilerek analizler tekrar koşturulmuştur. Böylece HAD çalışmalarında çok önemli bir parametre olan ağ örgüsüne bağlı hatalar mümkün olduğunca giderilmiştir. Bunun yanı sıra, analizler sistematik olarak sıklaştırılmış üç farklı ağ örgüsü ve üç farklı zaman adımı ile tekrarlanmıştır. Bu analizlerden elde edilen kaldırma kuvveti sonuçları kullanılarak incelenen akış koşullarındaki sayısal belirsizlikler hesaplanmış, çalışmanın ağdan ve zamandan bağımsız olduğu gösterilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Delft Hidrofoili, Kavitasyon Modellemesi, Ayrık Girdap Simülasyonu (DES), Schnerr-Sauer Kavitasyon Modeli.

Onur Usta. Cavitating Flow Investigations Around the Delft Hydrofoil. GMO SHIPMAR. 2019; 25(215): 12-27

Corresponding Author: Onur Usta, Türkiye
LookUs & Online Makale