مطالعه عددی و تجربی اثرات تزریق بر روی جریان سوپرکاویتاسیون مصنوعی

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه سیستان و بلوچستان

2 دانشگاه فردوسی مشهد

3 دانشگاه امام حسین (ع

چکیده

یکی از روش­های کم­هزینه در کاهش نیروی پسا بر روی رونده­های زیرسطحی ایجاد ابرکاواک مصنوعی حول رونده است. همین امر باعث شده که همواره بررسی این موضوع  مورد علاقه محققان قرار گیرد. در این تحقیق، جریان سوپرکاویتاسیون مصنوعی حول کاواک ساز 30 درجه به صورت عددی و تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. هدف اصلی تحقیق، مطالعه و بررسی نرخ تزریق هوا و سرعت جریان آب بر روی ضریب پسا و شکل کاویتی می‌باشد. ابتدا پدیده سوپرکاویتاسیون  مصنوعی در محدوده سرعت 14 تا 22 متر بر ثانیه، حول کاواک ساز 30 درجه در یک تونل آب شبه مدار باز مورد آزمایش و اندازه‌گیری قرار گرفته است. سپس جریان سوپرکاویتاسیون مصنوعی حول کاواک ساز 30 درجه و منطبق بر شرایط ورودی و تزریق، به صورت سه بعدی مدل‌سازی و مورد تحلیل عددی قرار گرفته است. در تحقیق عددی حاضر، از روش مخلوط چند فازی استفاده شده است و معادله رایلی جهت انتقال جرم در یک ساختار چند فازی به کار گرفته شده است. مقایسه نتایج نشان‌دهنده سازگاری خوب بین نتایج عددی و تجربی بوده است. در پایان پس از مقایسه نتایج عددی و تجربی، اثر تزریق را در جریان سوپرکاویتاسیون مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق تأثیر تزریق و سرعت جریان را بر روی ابعاد ناحیه حباب، ضریب پسا و روابط بین آن‌ها مورد مطالعه و تحلیل قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش دبی تزریق، مقدار نیروی پسا و ضریب پسا تا 36 درصد کاهش می­یابد. همچنین در دبی تزریق ثابت، با کاهش عدد کاویتاسیون، طول و قطر ناحیه کاویتی تا 77 درصد و 20 درصد به ترتیب افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical and Experimental Study of Ventilation Effects on Ventilated Cavitating Flow

نویسندگان [English]

  • Seyed Morteza Javadpour 1
  • Said Farahat 1
  • Hossein Ajam 2
  • Mahmoud Salari 3
  • Alireza Hossein Nezhad 1
1 university
چکیده [English]

One of the least cost methods to reduce drag on under-water projectiles is to create ventilated cavitation. So, many of researchers have focused on this subject during recent decade. In this research, ventilated cavitating flow around 30o cavitator is studied numerically and experimentally. The main objective of this research is studying the effects of some important parameters such as the air ventilation rate and flow velocity on the drag coefficient and the dimensions of cavities developed around the body. The experiments were done in a semi open-loop water tunnel. The fluid flow velocity in the test section was between 14 to 22 m/s. Also the 3D multiphase fluid flow over the cavitators within the test section are modeled and analyzed numerically by solving the corresponding governing equations using finite element method and mixture model and is coupled with the Rayleigh-Plesset equation to capture the cavity development. A comparison between numerical results and experiments shows that the numerical method using CFX accurately simulates the physics of ventilated cavitation phenomena such as the cavity length, cavity diameter and cavity shape. In final, after comparison result, effect of gas ventilation on drag coefficient and shape of cavity is presented. The results show that increasing air ventilated rate causes the amount of drag force and drag coefficient to be reduced to 36%. Also at constant air ventilated rate, with reducing cavitation number, length and diameter of the cavity are increased to 77 percent and 20 percent respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ventilated Cavtiation
  • Water Tunnel
  • Drag
  • Cavitator
  • Multiphase flow
[1] Wang, G. and S. M. Ostoja-Starzewski, (2007) “Large eddy simulation of a sheet/cloud cavitation on a
NACA0015 hydrofoil”, Applied Mathematical Modelling, Vol. 31, No.3, 2007, pp. 417-447.
[2] M. Wosnik, T. J. Schauer and R. E. Arndt, (2003) “Experimental study of a ventilated supercavitating vehicle”,
Fifth International Symposium on Cavitation (CAV2003), Osaka, Japan, 1-4 November, 2003, Cav03-
OS-7-008.
[3] M. Wosnik and R. E. A. Arndt, “Measurements in high void-fraction bubbly wakes created by ventilated
supercavitation”, Journal of Fluids Engineering, Vol. 135, No. 1, 2013, 011304.
[4] Q. T. Lee, L. P. Xue and Y. S. He, “Experimental study of ventilated supercavities with a dynamic pitchingmodel”, Journal of Hydrodynamics, Vol. 20, No. 4, 2008, pp. 456-460.
[5] X. W. Zhang, Y. J. Wei, J. Z. Zhang, C. Wang and K. P. Yu, “Experimental research on the shape characters of natural and ventilated supercavitation”, Journal of Hydrodynamics Ser. B, Vol. 19, No. 5, 2008, pp. 564-571.
[6] J. J. Zhou, K. P. Yu, J. X. Min and M. Yang, “The comparative study of ventilated super cavity shape in water tunnel and infinite flow field”, Journal of Hydrodynamics, Vol. 22, No. 5, 2010, pp. 689-696.
[7] L. Barbaca, B. W. Pearce and P. A. Brandner, “Experimental investigation of ventilated cavity flow over a 3D wall mounted fence”, International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Honolulu, Hawaii, April 10-15, 2016.
[8] C. X. Jiang and F. C. Li, “Experimental study on the characteristics of ventilated cavitation around an underwater navigating body influenced by turbulent drag-reducing additives”, Science China Physics, Mechanics & Astronomy, Vol. 58, No. 9, 2015, 594703.
[9] S. Bernard, R. Susan-Resiga, S. Muntean and I. Anton, “Numerical analysis of the cavitating flows”, Proceedings of the Romanian academy, Series A, Vol. 7, No. 1, 2006, pp. 33-45.
[10] علی چراغی، رضا ابراهیمی، سجاد محمدی بازرگانی و مهرزاد شمس، "مدلسازی جریان ابرکاواک اطراف روندههای زیرسطحی"،
فصلنامه مکانیک هوافضا، جلد 7 ، شماره 4 ، 1390 ، صفحه 87 - 96 .
[11] م. سالاری، س. فراهت و س. م. جوادپور، "مطالعه تجربی و عددی مشخصههای سوپرکاویتی ایجاد شده پشت کاویتاتورهای مخروطی"
ماهنامه مکانیک مدرس مکانیک هوافضا جلد 13 ، شماره 13 ، 1393 ، صفحه 236 - 226 .
[12] I. Rashidi, Ma. Passandideh-Fard, Mo. Passandideh-Fard and N. M. Nouri, “Numerical and experimental study of a ventilated supercavitating vehicle”, Journal of Fluids Engineering, Vol. 136, No. 10, 2014, 101301.
[13] Z. R. Li, M. Pourquie and T. J. C. Van Terwisga, “A numerical study of steady and unsteady cavitation on a 2d hydrofoil”, 9th International Conference on Hydrodynamic, Shanghai, China, October 11-15, 2010, pp. 770-777.
[14] E. Roohi, A. Pouyan Zahiri and M. Pasandideh-Fard, “Numerical simulation of cavitation around a two-dimensional hydrofoil using VOF method and LES turbulence model”, Applied Mathematical Modelling, Vol. 37, No. 9, 2013, pp. 6469-6488.
[15] S. Park and S. H. Rhee, “Computational analysis of turbulent super-cavitating flow around a two-dimensional wedge-shaped cavitator geometry”, Computers & Fluids, 70, 2012, pp. 73-85.
[16] J. H. Guo, C. J. Lu and Y. Chen, “Characteristics of flow field around an underwater projectile with natural and ventilated cavitation”, Journal of Shanghai Jiaotong University (Science), Vol. 16, No. 2, 2011, pp. 236-241.
[17] L. P. Jia, C. Wang, Y. J. Wei, H. B. Wang, J. Z. Zhang, K. P. Yu, “Numerical simulation of artificial ventilated cavity”, Journal of Hydrodynamics, Ser. B, Vol. 18, No. 3, 2006, pp. 273-279.
[18] B. Ji, X. W. Luo, X. X. Peng, Y. Zhang, Y. L. Wu and H. Y. Xu, “Numerical investigation of the ventilated cavitating flow around an under-water vehicle based on a three-component cavitation model”, Journal of Hydrodynamics, Vol. 22, No. 6, 2010, pp. 753-759.
[19] W. Zou, K. Yu and X. Wan, “Research on the gas-leakage rate of unsteady ventilated Supercavity”, Journal of Hydrodynamics, Vol. 22, No. 5, 2010, pp. 635-643.
[20] J. P. Franc and J. M. Michel, “Fundamentals of cavitation”, Section 6, Kluwer Academic Publisher, The Netherlands, Vol. 75, 104 p, 2004.
[21] K. P. Yu, G. Zhang, J. J. Zhou, W. Zou and Z. W. Li, “Numerical study of the pitching motions of supercavitating vehicles”, Journal of Hydrodynamics, Vol. 24, No. 6, 2012, pp. 951-958.
[22] Z. Shang, “Numerical investigations of supercavitation around blunt bodies of submarine shape”, Applied Mathematical Modelling, Vol. 37, 2013, pp. 8836-8845.
[23] A. K. Singhal, M. M. Athavale, H. Li and Y. Jiang, “Mathematical basis and validation of the full cavitation model”, Journal of Fluids Engineering, Vol. 124, 2002, pp. 1-8.
[24] M. S. Ingber and C. E. Hailey, “Numerical modeling of cavities on axisymmetric bodies at zero and non-zero angle of attack”, Journal for Numerical Methods in Fluid, Vo. 15, 1992, pp. 251-271.