Delft Hidrofoili Etrafında Kavitasyonlu Akış İncelemeleri
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.
___
- Bensow, R.E., Bark, G. (2010). Implicit LES Predictions of the Cavitating Flow on a Propeller. J. Fluids
Eng. 132, 41302. https://doi.org/10.1115/1.4001342
- Bensow, R. E. (2011). Simulation of the unsteady cavitation on the the Delft Twist11 foil using RANS,
DES and LES, Second International Symposium on Marine Propulsors Smp11, Hamburg, Germany.
- Carlton, J. S. (2007). Marine Propellers and Propulsion, Second Edition, Butterworth-Heinemann.
Celik, I. B., Ghia, U., Roache, P. J., Freitas, C. J., Coleman, H. & Raad P. E. (2008). Procedure for
Estimation and Reporting of Uncertainty Due to Discretization in CFD Applications, Journal of Fluids
Engineering, Vol. 130.
- Chen, C. J. Jaw, S. Y. (1998). Fundamentals of turbulence modeling, Washington, DC : Taylor & Francis.
Davidson, L. (2017). Fluid mechanics, turbulent flow and turbulence modeling, Division of Fluid
Dynamics, Department of Applied Mechanics, Chalmers University of Technology.
- Foeth, E.J. (2008). The structure of three dimensional sheet cavitation, PhD Thesis, Delft University of
Technology.
- Hoekstra, M., Terwisga, T. Van & Foeth, E.J. (2011). smp’11 Workshop Cavitation on Foil, - Case 1:
DelftFoil, Second International Symposium on Marine Propulsors smp’11, Hamburg, Germany, June
2011.
- ITTC, (2011) Recommended Procedures and Guidelines, Practical Guidelines for Ship CFD Applications,
Revision 01, 7.5 – 03, 02 – 03.
- Ji, B., Luo, X., Wu, Y., Peng, X., Duan, Y. (2013). Numerical analysis of unsteady cavitating turbulent
flow and shedding horse-shoe vortex structure around a twisted hydrofoil. Int. J. Multiph. Flow, Vol.
51, pp. 33–43. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2012.11.008
- Li, Z. (2012). Assessment of cavitation erosion with a multiphase Reynolds-Averaged Navier-Stokes
Method, Ph.D. Thesis, Delft University of Technology.
- Li, D. Q., Grekula, M. & Lindell, P. (2009). A modified SST k -w turbulence model to predict the steady
and unsteady sheet cavitation on 2D and 3D hydrofoils, Proceedings of the 7th International
Symposium on Cavitation, Ann Arbor, Michigan, USA.
- Lidtke, A.K., Turnock, S.R., Humphrey, V.F. (2014). The influence of turbulence modelling techniques
on the predicted cavitation behaviour on a NACA0009 foil, in: Proceedings of the 17th Numerical
Towing Tank Symposium.
- Koop, A. H. (2008). Numerical Simulation of Unsteady Three-Dimensional Sheet Cavitation. University
of Twente, PhD Thesis. https://doi.org/10.3990/1.9789036527019
- Maasch, M., Turan, O. & Khorasanchi, M. (2015). Unsteady RANSE and detached eddy simulations of
cavitating flow, International Conference on Shipping in Changing Climates, Glasgow, United Kingdom.
- Pope, S. B. (2012). Turbulent Flows, Cambridge University Press.
- https://doi.org/10.1017/CBO9780511840531.
- Roache, P. J. (1998). Verification and Validation in Computational Science and Engineering, Comput.
Sci. Eng. 8–9.
- Schnerr, G. H., Sauer, J. (2001). Physical and numerical modeling of unsteady cavitation dynamic, 4th
International Conference on Multiphase Flow, New Orleans, USA.
- Stern, F., Wilson, R., Shao, J. (2006). Quantitative V&V of CFD simulations and certification of CFD
codes. Int. J. Numer. Methods Fluids 50, 1335–1355. https://doi.org/10.1002/fld.1090
- TU Delft Reports. (2008). Pressure and lift measurements on the Twıst 11 Hydrofoil.
(http://maritimetechnology.tudelft.nl/SHS/Virtue%20Twist11%20Pressure%20&%20lift.pdf;
downloaded at 27.07.2017).
- Usta, O. (2018). Gemi Pervanelerinde Kavitasyon ve Kavitasyon Erozyonu Modellemesi, İTÜ Fen
Bilimleri Enstitüsü, Gemi İnşaatı ve Gemi Mak. Müh. ABD, Doktora Tezi.
- Vallier, A. (2013). Simulations of cavitation – from the large vapour structures to the small bubble
dynamics, Thesis for the degree of Doctor of Philosophy in Engineering, Lund University.
- Whitworth, S. (2011). Cavitation prediction of flow over the Delft Twist 11 foil, Second Int. Symp. Mar.
Propulsors smp’11, Hamburg, Germany.