ФОРМУВАННЯ ВЕНТИЛЬОВАНОЇ КАВЕРНИ ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМУ РЕЖИМІ ОБТІКАННЯ ДИСКОВОГО КАВІТАТОРА
DOI:
https://doi.org/10.20998/2222-0631.2025.02(9).04Ключові слова:
вимушена кавітація, чисельне моделювання, volume of fluid, двофазний потік, порожнина, OpenFOAM, blockMesh, нестислива рідина, кавітатор, incompressibleVoFАнотація
У роботі розглядається чисельне моделювання вимушеної кавітації для кавітатора в потоці рідини. Моделювання виконано у програмному
середовищі OpenFOAM 12 із використанням чисельної моделі incompressibleVoF 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 квазі-стаціонарного 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.
Посилання
Xu Y., Zhang M., Li H. Experimental research on the effect of air concentration on cavitation erosion development. Ultrasonics Sonochemistry. 2021, Vol. 72, pp. 2–13. DOI: 10.1063/5.0077860.
Huixia Jia., Rishan Xie.,Yangjie Zhou. Numerical simulation and drag reduction mechanism of supercavitation with bionic non-smooth surface Experimental Investigation of the Supercavitation and Hydrodynamic Characteristics of High-Speed Projectiles with Hydrophobic and Hydrophilic Coatings. fluids. 2022. pp. 1–15. DOI: 10.3390/fluids7120363.
He Y., Zhang H. Analysis of characteristics of a compressed air power system generating supercavitation drag reduction for underwater vehicles. Energies. 2024, Vol. 17, No. 4, pp. 17–35. DOI: 10.3390/en17071735.
Choe Y., Kim C. Computational investigation on ventilated supercavitating flows and its hydrodynamic characteristics around a high-speed underwater vehicle. Ocean Engineering. 2022, Vol. 249, pp. 1–19. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2022.110865.
Koval S. O., Voropaiev G. O., Dimitrieva N. F. Calculation of a Ventilated Cavity in OpenFOAM. In Proc. Topical Problems of Fluid Mechanics. Prague., 2023, pp. 88–95. DOI: 10.14311/TPFM.2023.013.
Hirt C. W., Nichols B. D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. J. Comput. Phys. 1981, Vol. 39, No. 1, pp. 201– 225. DOI: 10.1016/0021-9991(81)90145-5.
Spalart P. R., Allmaras S. R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows. Recherche Aerospatiale. 1994, No. 1, pp. 5–21. DOI: 10.2514/6.1992-439.
Sá L. F. N., Yamabe P. V. M., Souza B. C., Silva E. C. N. Topology optimization of turbulent rotating flows using Spalart–Allmaras model. Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 2021, Vol. 373, pp. 1–19. DOI: 10.1016/j.cma.2020.113551.
Ahn B.-K., Kim S.-Y., Choi H. An experimental investigation of artificial supercavitation generated by air injection behind disk-shaped cavitators. Int. J. of Naval Architecture and Ocean Engineering. 2016, Vol. 9(2), pp. 227–237. DOI: 10.1016/j.ijnaoe.2016.10.006.
Savchenko Yu. M. Supercavitation: Advances and Perspectives. Springer. 2012, 230 p.
Epshtein L. A. O mekhanizme pul'satsionnykh protsessov v kontsevoy oblasti prisoedinitel'nykh kavern [On the mechanism of pulsation processes in the terminal region of attached caverns]. Trudy simpoziuma po fizike akustiko-gidrodinamicheskikh yavleniy [Proceedings of the Symposium on Acoustic-Hydrodynamic Phenomena]. Moscow, Nauka Publ., 1975. pp. 133–138.
