Delft Hidrofoili Etrafında Kavitasyonlu Akış İncelemeleri

Yıl 2019, Sayı: 215, 12 - 27, 09.08.2019

Onur Usta

Öz

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.

Anahtar Kelimeler

Delft Hidrofoili, Kavitasyon Modellemesi, Ayrık Girdap Simülasyonu (DES), Schnerr-Sauer Kavitasyon Modeli.

Kaynakça

• 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.