Simulations of cavitation - from the large vapour structures to the small bubble dynamics

Abstract

Very few people around us know the meaning of the word cavitation, except from those who saw the movie "The Hunt for Red October" and can relate cavitation to Sean Connery in a submarine. Some of them know that it corresponds to the formation of bubbles, due to a pressure drop, and causes erosion and noise. However, cavitation is much more complex. A

large amount of research work has been done over the last thirty years in order to improve the understanding of the interactions between the various physical processes involved.



The present work aims at gaining more knowledge about cavitation in water turbines. Some of the properties of cavitation at a water turbine runner blade are similar to those at a hydrofoil in a water test tunnel. Therefore, the overall purpose of this work is to improve the numerical models for cavitation inception and development on a hydrofoil. The focus

of this thesis lies on numerical methodologies that include the broad range of cavity sizes, using appropriate models for each specific phenomenon.

The smallest bubbles, called nuclei, are tracked in the flow with the Discrete Bubble Model, and their dynamics is resolved with the Rayleigh-Plesset equation. This approach can predict how the nuclei are transported over a hydrofoil to regions of low static pressure,

where they grow and either collapse or contribute to the formation of large-scale vapour cavities.

The large non-spherical structures are commonly modelled using the Volume-Of-Fluid method together with a mass transfer model for vaporisation and condensation. This approach predicts the development of the vapour cavity, such as its breakup and the shedding

process observed experimentally in the context of cavitating hydrofoils.

The present work implements the above-mentioned models in the OpenFOAM C++ library, and performs simulations to assess the performance of the models. A new multiscale model is developed, implemented and used on a cavitating hydrofoil. The multi-scale model includes both the small spherical bubbles, the large non-spherical vapour structures,

and the transition between those regimes.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Mycket få människor omkring oss vet innebörden av ordet kavitation, förutom de som såg filmen "The Hunt for Red October" och kan relatera kavitation till Sean Connery i en ubåt.

Kavitation motsvarar bildandet av bubblor, som kan likna kokande vatten i en kastrull. Men den uppstår inte på grund av en hög temperatur utan på grund av ett lågt tryck. Den finns i de flesta tekniska anläggningar som innehåller vätska i rörelse. Problemet med kavitation är dess negativa konsekvenser. Till exempel orsakar den oljud vilket inte är onskvärt för en ubåt. Den kan också leda till förstörelse av ytor, vilket inte är onskvärt i en vattenturbin.

Kavitation i vattenturbiner orsakar förändringar och instabilitet i strömningen, och implosion av bubblor. Detta resulterar i en minskning i effektivitet, vibrationer och erosion (skador på ytor). Kavitation kan undvikas om turbinen ställts tillräckligt låg, så att det statiska trycket är tillräckligt högt för att förhindra att vatten övergår till gasform. Men byggkostnaderna för en sådan låg inställning är mycket höga. Därför måste man hitta en kompromiss mellan motstridiga krav på en låg installationskostnad och undvikande av negativa effekter från kavitation.

Kavitation är mycket komplex. En stor mängd forskning har gjorts under de senaste 30 åren för att förbättra förståelsen för detta fenomen. För att få mer kunskap om kavitation i vattenturbiner, kan man använda sig av numeriska modeller. Genom att lösa lämpliga ekvationer kan man beskriva hur kavitation börjar och utvecklas. Det finns modeller för varje specifik företeelse. Dock är kavitationsmodellering fortfarande mycket utmanande eftersom fenomenet leder till snabba variationer av strömingsegenskaper och samspelet mellan vatten, ånga och gas. Ångan som bildas vid kavitation kan uppträda i varierande storlek och form, från mikroskopiska sfäriska bubblor, till stora sammanhängande strukturer. Dessutom är strömningen turbulent. Alla dessa egenskaper kräver lämpliga modeller för att exakt förutsäga kaviterande strömningar.

I detta arbete utförs beräkningar för att utvärdera resultaten av olika modeller. En ny flerskalig modell utvecklas och används på en kaviterande strömning kring en vingprofil. Den nya modellen omfattar både små sfäriska bubblor, stora icke-sfäriska ånga strukturer

och övergången mellan dessa regimer. Det är mycket intressant att ha en modell som kan förutsäga hur dem minsta bubblorna transporteras till regioner med lågt statiskt tryck, där de växer och sen imploderar. Genom att mäta tryckvågen som släpps från bubblan, kan man förutse risken för att närliggande ytor ska skadas. Tack vare den förbättrade modellen, kan

man förutse där kavitation orsakar skador. Denna kunskap kan i ett senare skede hjälpa till att utforma geometrier som minskar de negativa effekterna av kavitation. Särskild omsorg kan då tas, så att bubbelimplosionerna sker långt ifrån ytor. Detta skulle minimera skador

på ytorna, och därmed minska underhållskostnaderna.

• author: Vallier, Aurélia
• supervisor: Johan Revstedt
• opponent: Dr Farhat, Mohamed, EPFL, Lausanne, Switzerland.
• organization: Fluid Mechanics; eSSENCE: The e-Science Collaboration
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Fluid Mechanics and Acoustics
• defense location: Lecture hall B, M-building, Ole Römers väg 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2013-06-10 09:15:00
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 84494c13-1a24-4a22-b1db-bd4a8ea633ac (old id 3737603)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:29:41
• date last changed: 2018-11-21 21:20:39