بررسی عددی فرسایش کاویتاسیون درون ونتوری با استفاده از دیدگاه اویلری لاگرانژی

بیات کمیجانی, مصطفی; مهدی, میراعلم

doi:10.30506/ijmep.2023.561938.1898

بررسی عددی فرسایش کاویتاسیون درون ونتوری با استفاده از دیدگاه اویلری لاگرانژی

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

¹ کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجائی، تهران، ایران

² دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجائی، تهران، ایران

10.30506/ijmep.2023.561938.1898

چکیده

کاویتاسیون یک پدیده پیچیده در علم مکانیک سیالات است. وقوع این پدیده به فاکتورهای مهم و البته متفاوتی بستگی دارد. تحقیق فعلی، فرسایش ناشی از فروریزش حباب ‌ها با استفاده از دیدگاه‌ اویلری- لاگرانژی در یک ونتوری را مورد بررسی قرار داده‌است. جریان سیال کاویتاسیون درون ونتوری به کمک نرم افزار فلوئنت با دیدگاه اویلری و با توسعه یک کد عددی در نرم افزار متلب، رفتار حباب به صورت لاگرانژی شبیه ‌سازی شده ‌است. از معادله کلر- میکسیس برای شبیه ‌سازی تغییرات شعاع حباب و با لحاظ کردن نیروهای مختلف وارد بر حباب و استفاده از قانون دوم نیوتون، معادله‌ حرکت حباب استخراج شده ‌است. از مدل اوچیای برای ارزیابی قدرت ضربات فشاری ناشی از فروریزش حباب ‌ها روی سطح دیواره ونتوری استفاده شده و میزان فرسایش در شرایط مختلف مورد بررسی قرار گرفته‌ است. نتایج وابستگی شدت فرسایش به شعاع اولیه حباب‌ ها، نوع سیال و محل رها‌سازی حباب ‌ها درون جریان را نشان می ‌دهد. نتایج حاصل از بررسی نشان داد شعاع‌ های حباب تا 25 میکرون اثر فرسایشی بیشتری نسبت به دیگر شعاع حباب ‌ها دارند اما وقتی شعاع حباب‌ ها از این مقدار بیشتر می‌شود، حباب ‌ها در زمان ورود به جریان سیال دچار فروریزش شده و نتایج داده ‌ها رشد شعاع حباب در ادامه مسیر جریان را نشان نمی‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مکانیک سیالات

مراجع

[1] K.H. Kim, G. Chahine, J.P. Franc, and A. Karimi, “Advanced Experimental and Numerical Techniques for Cavitation Erosion Prediction,” Springer, France-Jean-Pierre ,Vol. 106, pp.3-20, 2014, DOI: http://dx.doi.org/10.1007/978-94-017-8539-6.

[2] J. P. Franc, J.M. Michel, “Fundamentals of Cavitation,” Springer Science & Business Media, Vol. 76, pp.15-33, 2006, DOI: http://dx.doi.org/10.1007/1-4020-2233-6.

[3] C.E.E. Brennen, “Cavitation and Bubble Dynamics,” Cambridge University Press, Vol.1, pp.3-5, 1995, DOI: https://doi.org/10.1017/CBO9781107338760.

[4] N. Ochiai, I. Yuka, N. Motohiko, I. Toshiaki, “Study of Quantitative Numerical Prediction of Cavitation Erosion in Cavitating Flow,” University of Michigan, Vol. 1, pp.2-3, 2013, DOI: https://doi.org/10.1115/1.4023072.

[5] L.N. Randall, “Rocket Applications of the Cavitating Venturi,” J American Rock Society, Vol. 22, pp.28-29, 1952, DOI: https://doi.org/10.2514/8.4412.

[6] S.G. Liou, I.Y. Chen, J.S. Sheu, “Testing and Evaluation of Small Cavitating Venturis
with Water at Low Inlet Subcooling,” Proceedings of the AIP conference, Vol. 420, pp.480-487, 1998, DOI: https://doi.org/10.1063/1.54835.

[7] C. Xu, S.D. Heister, “Modeling Cavitating Venturi Flows,” J Propul Power, Vol. 18, pp.6-7, 2002, DOI: https://doi.org/10.2514/2.6057.

[8] J. Ishimoto, K. Kamijo, “Numerical Simulation of Cavitating Flow of Liquid Helium in Venturi Channel,” Cryogenics, Vol. 43, pp.9-17, 2003, DOI: https://doi.org/10.1016/S0011-2275(02)00149-2.

[9] V.S. Moholkar, A.B. Pandit, “Numerical Investigations in the Behaviour of One Dimensional Bubbly Flow in Hydrodynamic Cavitation,” Chem Eng Sci, Vol. 56, pp.7-8, 2001, DOI: https://doi.org/10.1016/S0009-2509(00)00365-1.

[10] Y. Chen, C. Lu, L. Wu, “Modelling and Computation of Unsteady Turbulent
Cavitation Flows,” J Hydrodyn Ser B, Vol. 18, pp.59-66, 2006, DOI: https://doi.org/10.1016/S1001-6058(06)60135-2.

[11] A. Ulas, “Passive Flow Control in Liquid Propellant Rocket Engines with Cavitating Venturi,” Flow Meas Instrum, Vol. 17, pp.93-97, 2005, DOI:https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2005.10.003.

[12] H. Ghassemi, H.F. Fasih, “Application of Small Size Cavitating Venturi as Flow
Controller and Flow Meter,” Flow Meas Instrum, Vol. 22, pp.6-12, 2011, DOI: https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2011.05.001.

[13] M.Mahdi, M. Bayat Komijani, A. Katozi, “Numerical Investigation of Cavitation Flow Developed in Steady and Unsteady State in Venturi,” [in persian], Civilica ,in 4^th National Conference on Computational and Experimental Mechanics, pp.6-12, 2021, https://civilica.com/doc/1445957/.

[14] M. Mahdi, H. Sajadi, “Numerical Investigation of Cloud Cavitation Flow on NACA 0015 Hydrophilic Using Modified Turbalance Model,” ISME, Vol. 18, pp.6-12, 2011, DOI:http://dx.doi.org/10.1080/17445302.2022.2027690.

[15] L. Rayleigh, “On the Pressure Developed in a Liquid During the Collapse of a Spherical Cavity,” Philos Mag Ser 6, Vol. 34, pp.94-98, 1917, DOI: https://doi.org/10.1080/14786440808635681.

[16] J.B. Keller, M. Miksis, “Bubble Oscillations of Large Amplitude,” J Acoust Soc Am, Vol.68, pp.628–633, 1980, DOI: https://doi.org/10.1121/1.384720.

[17] H. Soyama, H. Kumano, M. Saka, “A New Parameter to Predict Cavitation Erosion,” Caltech.Edu ,Vol.Cav2001, pp.3-7, 2001, DOI:https://www.researchgate.net/publication/29687583_A_New_Parameter_to_Predict_Cavitation_Erosion.

[18] N. Ochiai, I. Yuka, N. Motohiko, Y. Yoshiki, “Numerical Prediction of Cavitation Erosion Intensity in Cavitating Flows Around a Clark Y 11.7% Hydrofoil,” J. Fluid Sci. Technol, Vol.5, pp.416–431, 2010, DOI: https://doi.org/10.1299/jfst.5.416.

[19] G. Bergeles, L. Jason, W. Leifeng, K. Phoevos, “An Erosion Aggressiveness Index (EAI) Based on Pressure Load Estimation Due to Bubble Collapse in Cavitating Flows Within the RANS Solvers,” SAE Int. J. Engines, Vol. 8, pp.15-24, 2015, DOI: http://dx.doi.org/10.4271/2015-24-2465.

[20] R.T. Knapp, “Recent Investigations of the Mechanics of Cavitation and Cavitation Damage,” Trans. ASME. 77 , Vol. 77, pp.1045-1054, 1955, DOI: https://doi.org/10.1115/1.4014586.

[21] A.K. Singhal, M. Mahsen, L. Huiyng, J. Yu, “Mathematical Basis and Validation of the Full Cavitation Model,” J. Fluids Eng , Vol. 124, pp.617-624, 2002, DOI: https://doi.org/10.1115/1.1486223.

[22] J.D. Anderson, “Some Reflections on the History of Fluid Dynamics,” Handbook of fluid dynamics (2nd ed.), Vol. 1, pp.3-11, 2016, DOI: https://www.routledge.com/rsc/downloads/Fluid_dynamics_-_chapter_2.pdf.