Формування вентильованої каверни при турбулентному режимі обтікання дискового кавітатора

Abstract

У роботі розглядається чисельне моделювання вимушеної кавітації для кавітатора в потоці рідини. Моделювання виконано у програмному середовищі OpenFOAM 12 із використанням чисельної моделі incompressible VОF та методу об’ємної рідини (Volume of Fluid, VOF). Метод VOF забезпечує відслідковування поверхні розділу фаз(вода – газ) під час утворення порожнини. Розглядається нестисливий двофазний потік (вода – повітря) без врахування сили тяжіння, що дозволило сформулювати задачу у осесиметричній постановці, що в свою чергу зменшує обчислювальні витрати і спрощує аналіз течії. Розрахунок виконувався у нестаціонарному режимі до досягнення квазістаціонарного стану течії. Аналіз полів тиску і концентрації показав, що при формуванні порожнини значна частина поверхні тіла виявляється ізольованою від рідини. Це зменшує тиск на відповідній ділянці в порівнянні з тиском на ділянці без порожнини та, як наслідок, знижує гідродинамічний опір і пов’язані з ним втрати. Показано, що утворення вентильованої порожнини навколо тіла під час його руху у воді може значно зменшити опір. Отримані результати є важливими для подальшого аналізу впливу штучно створених порожнин на опір та відкривають можливості для оптимізації систем вентиляції з метою мінімізації енергетичних витрат. Таким чином, підтверджено доцільність застосування повітряних порожнин як ефективного засобу зменшення гідродинамічного опору для рухомих тіл у рідині, зокрема підводних апаратів. The paper considers the numerical modeling of forced cavitation for a cavitator in a fluid flow. The simulation was performed in the Open FOAM 12 software environment using the incompressible VOF numerical model and the Volume of Fluid (VOF) method. The VOF method provides tracking of the water-gas interface during cavity formation. An incompressible two-phase flow (water-air) is considered without taking into account gravity, which allowed us to formulate the problem in an axisymmetric formulation, which in turn reduces computational costs and simplifies flow analysis. The calculation was performed in a nonstationary mode until a quasi-stationary flow condition was reached. The analysis of pressure and concentration fields showed that when a cavity is formed, a significant part of the body surface is isolated from the fluid. This reduces the pressure on the corresponding area compared to the pressure on the corresponding area without a cavity and, as a result, reduces hydrodynamic drag and associated losses. It has been shown that the formation of a ventilated cavity around a body during its movement in water can significantly reduce drag. The results obtained are important for further analysis of the influence of artificially created cavities on drag and open up possibilities for optimizing ventilation systems in order to minimize energy consumption. Thus, the feasibility of using air cavities as an effective method of reducing hydrodynamic drag for moving bodies in liquids, in particular underwater vehicles, has been confirmed.