شبیه سازی کاویتاسیون جزئی حول هندسه های با مقاطع دایروی و بیضوی به روش المان مرزی

نوع مقاله: مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

2 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

چکیده

در این تحقیق با استفاده از روش المان مرزی، نرم­افزاری جهت شبیه­سازی جریان کاویتاسیون جزئی حول هندسه­های با مقاطع دایروی (متقارن محوری) و بیضوی (شبه­سه­بعدی) ارائه می­شود. با توجه به سرعت بالای همگرایی تحلیل متقارن محوری در روش المان مرزی، ابتدا جریان کاویتاسیون حول هندسه­های با مقطع دایروی شبیه­سازی شده و سپس از نتایج این تحلیل جهت شبیه­سازی جریان حول هندسه­های با مقطع بیضوی استفاده می­شود. بدین منظور، با استفاده از بیان انتگرالی تئوری گرین، رینگ­های چشمه و دوگان روی مرزهای حل توزیع و برای شبیه­سازی انتهای کاویتی، از دو مدل ساده و جت بازگشتی استفاده می­شود. طول کاویتی مقداری ثابت و ورودی مسأله است و شکل کاویتی و عدد کاویتاسیون از نتایج این شبیه­سازی است. به­منظور اعتبارسنجی نتایج، معادلات ناویر-استوکس به­روش مخلوط چندفاز نیز حل شده و سرعت همگرایی و دقت آن با نتایج روش حاضر مقایسه می­شود. مقایسه نتایج حاضر با نتایج تجربی و عددی توانایی این روش را در شبیه­سازی جریان کاویتاسیون جزئی حول هندسه­های با مقاطع دایروی و بیضوی را با سرعت همگرایی بالا و دقت نسبتاً مطلوب تایید می­کند.

کلیدواژه‌ها


[1] Pasandideh-fard, Ma., and Nouroozi, M., "Simulation of Cavitation Flows around Axisymetric Bodies by the Boundary Element Method using Re-entrant Jet Model at the Closure of the Cavity", Journal of Mechanical Engineering, University of Tabriz, Vol. 41, No. 1, pp. 11-22, (2011). (In Persian)

 

[2] Deng, C.L. , Fang, W.H., and Fang, L.U., "The Numerical and Experimental Research on Unsteady Cloud Cavitating Flow of 3D Elliptical Hydrofoil", China Ship Scientific Research Center, Journal of Hydrodynamic, Vol. 22, No. 5, pp. 759-763, China, (2010).

 

[3] Labertaux, K.R.,  and  Ceccio, S.L., "Partial Cavity Flows (Part 1), Cavities Forming on Models without Spanwise Variation", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 431, pp. 1-41, (2001).

 [4] Rashidi,  I., Passandideh-fard, M.O., and Passandideh-fard, M.A., "The Optimum Design of a Cavitator for High Speed Axisymmetric Bodies in Partially Cavitating Flows", Journal of Fluids Engineering - Trans ASME, Vol. 135, No. 1, pp. FE-12-1132, (2013).

 

[5] Behbahani-Nejad, M., and  Changizian, M., "Reduced-order Modeling of Unsteady Partial Cavity Flows using the Boundary Element Method", Modares  Mechanical Engineering, Vol. 13, No. 6, pp. 140-152, ( 2012). (In Persian)

 

[6] Krishnaswamy, P., "Flow Modeling for Partially Cavitating Hydrofoils", Ph.D. Thesis, Technical University of Denmark, pp. 45-45, (2000).

 

 [7] Uhlman, J.S., "A Note on the Development of a Nonlinear Axisymmetric Re-entrant Jet Cavitation Model", Engineering Technology Center, Anteon Corp, (2006).

 

[8] Rashidi,  I., "The Optimum Design of a Cavitator for High-speed Axisymmetric Bodies in Partially Cavitating Flows", Ph.D. Thesis, Ferdowsi University of Mashhad, ch. 4-5, pp.73-165, (2013).

 

[9] Franc, J.P., and Michel, J.M., "Fundamental of Cavitation", Kluwer Academic Publisher, Netherlands, pp. 131-161, (2004).

 

[10] Hess,  J.L. , and  Smith, A.M.O., "Calculation of Potential Flow about Arbitrary Three-dimensional Bodies", Progress in Aeronautical Science, Vol. 8, pp. 1–138, New York, (1966).

 

[11] Uhlman, J.S., "The Surface Singularity Method Applied to Partially Cavitating Hydrofoils", Journal of Ship Research, Vol. 31, No. 2, pp. 107-124, USA, (1987).

 

[12] Uhlman, J.S., "The Surface Singularity or Boundary Integral Method Applied to Supercavitating Hydrofoils", Journal of Ship Research, Vol. 33, No. 1, pp. 16-20, USA, (1989).

 

[13] Kinnas, S.A., and Fine, N.E., "Non-linear Analysis of the Flow Around Partially or Supercavitating Hydrofoils by a Potential Based Panel Method", In Proceedings of the IABEM-90 Symposium of the International Association for Boundary Element Methods, Italy, (1990).

 

[14] Varghese,  A.N.,  Uhlman, J.S., and Kirschner, I.N., "Axisymmetric Slender-body Analysis of Supercavitating High-speed Bodis in Subsonic Flow", Proceedings of the 3rd International Symposium on Performance Enhancement for Marine Applications, RI, USA, pp. 185-200, (1997).

 

[15] Kirschner, I.N., Uhlman, J.S., and Varghese,  A.N., "Supercavitating Projectiles in Axisymmetric Subsonic Liquid Flows", Proceedings of the ASME & JSME Fluids Engineering Annual Conference & Exhibition, Cavitation and Multiphase Flow Forum, FED 210, SC, USA, (1995).

 

 [16] Callenaere,  M., Sranc, J.P., Michel, J.M., and Riondet, M., "The Cavitation Instability Induced by the Development of a Re-entrant Jet", J. Fluid Mech, Vol. 444, pp. 223-256, (2001).

 [17] Gilbarg,  D., "Jets and Cavities", Handbuch der Physik, Vol. 9, Springer-Verlag, Berlin, Germany, (1960).

 

[18] Mohanty R.K., Setia N., "A New High order Compact off-step Discretization for the System of 3D Quasi-linear Elliptic Partial Differential Equations", Applied Mathematical Modelling, Vol. 37, pp. 6870–6883, (2013).

 

[19] Goel S.,"Turbine Airfoil Optimization using Quasi-3D Analysis Codes", International Journal of Aerospace Engineering, Vol. 2009, Article ID 531358, (2009).

 

[20] Montenegro, G., Onorati, A., Cerri, T., and Della Torre, A., " A Quasi-3D Model for the Simulation of the Unsteady Flows in I.C. Engine Pipe Systems", SAE Technical Paper, 2012-01-0675, (2012).

 

[21] FLUENT 6.3 User's Guide, Centerra Resource Park, Lebanon, NH 03766 pp. 12-86, (2006).

 

[22] Farouk, M.O., and Ali, H.N., "Numerical Simulation of 3-D Incompressible Multi-phase Flows over Cavitating Projectiles", European Journal of Mechanics, B/Fluids, Vol. 23, pp. 339-351, (2004).

 

[23] Billet,  M.L., and  Weir, D.S., "The Effect of Gas Diffusion on the Flow Coefficient for a Ventilated Cavity", Journal of Fluids Engineering December issue, American Society of Mechanical Engineers, NewYork, NY, Vol. 97, No. 4, pp. 501-505, (2010).

 

[24] Moin,  H., Rashidi, I., Passandideh-fard, MO., Passandideh-fard, MA., and Roohi, E., "Modeling Cavitation over Axisymmetric Bodies: VOF Technique Versus Boundary Element Method", In Proceeding of 16th Annual Conference of CFD Canada, Saskatoon, Canada, 9-11 June, (2008).