Моделювання вихрової структури всередині вентильованої каверни

Abstract

Дана робота присвячена проблемі моделювання примусово вентильованої газоподібної каверни в потоці рідини. Актуальність дослідження обумовлено необхідністю розвитку методів керування потоком з метою зниження опору тертя. Аналіз літературних джерел показав, що внутрішня структура течії всередині каверни, яка визначає її форму, розмір та стійкість, залишається маловивченою. Запропоновано методику чисельного моделювання нестаціонарної тривимірної двофазної течії в програмному пакеті з відкритим вихідним кодом OpenFoam. Було використано модель interFoam для двох нестисливих суцільних середовищ без фазового переходу, яка базується на підході Volume of Fluid (VOF). Розрахункову сітку побудовано методом покрокового подрібнення комірок з використанням утиліти snappyHexMesh для генерації тривимірної неструктурованої сітки з переважанням гекса-елементів, що враховує дрібномасштабні структури течії в зоні фазового переходу та поблизу обтічного тіла. Результати розрахунків показали якісну узгодженість з теоретичними та експериментальними даними. Описано складну вихрову структуру всередині вентильованої порожнини. Виділено три зони: постійного тиску, в’язкої дифузії та двофазного шару змішування. Виявлено, що на відміну від парової суперкаверни за стійкою частиною надлишки повітря утворюють бульбашковий слід. Було проведено аналіз впливу геометричних та динамічних параметрів на формування та розвиток повітряної каверни, її розмір, форму та стійкість. Виявлено, що довжини зон каверни залежать від швидкості основного потоку рідини та витрати газу, що нагнітається, а товщина каверни визначається діаметром кавітатора. Показано, що за рахунок штучної вентиляції подовжується і підтримується зона постійного тиску. This work is devoted to the problem of modelling a forcibly ventilated gaseous cavity in a liquid flow. The relevance of the study is due to the need to develop flow control methods in order to reduce drag. An analysis of literary sources showed that the internal structure of the flow inside the cavity remains poorly understood. This determines its shape, size and stability. A method for numerical modeling of unsteady 3D  two-phase flow in the open-source software OpenFoam is proposed. The interFoam model was used for two incompressible fluids without phase transition. The mathematical modeling is based on the Volume of Fluid (VOF) approach. The computational mesh was constructed using the stepwise cell refinement method using the snappyHexMesh utility. The three-dimensional unstructured mesh consists mainly of hexa-elements. This takes into account small-scale flow structures in the phase transition zone and near the streamlined body. The calculation results showed qualitative agreement with theoretical and experimental data. A complex vortex structure inside a ventilated cavity is described. Three zones are distinguished: constant pressure, viscous diffusion, and two-phase mixing layer. It was found that, unlike a steam supercavity, excess air behind the stable part forms a bubble trail. An analysis of the influence of geometric and dynamic parameters on the formation and development of an air cavity, its size, shape, and stability was conducted. It was found that the lengths of the cavity zones depend on the velocity of the main fluid flow and the flow rate of the injected gas, and the thickness of the cavity is determined by the diameter of the cavitator. It has been shown that the constant pressure zone is extended and maintained due to forced ventilation.