Cavitation Control in Marine Engineering and Hydraulic Systems (CCMEHS)

Beteiligte Wissenschaftler

Prof. Dr. Khodayar Javadi
Dr.-Ing. Ebrahim Kadivar
Mikhail V. Timoshevskiy M. Sc.
Konstantin S. Pervunin M. Sc.
Prof. Dr.-Ing. Bettar Ould el Moctar

Projektbeschreibung

Kavitation ist ein physikalisches Phänomen bestehend aus Verdampfung, Blasenentstehung und Blasenkollaps. Sie spielt in vielen technischen Bereichen eine wichtige Rolle. In der Schiffstechnik tritt Kavitation durch ihre erosive Wirkung auf Schiffsruder und Schiffspropeller infolge des Kollapses von Kavitationsblasen in der Nähe der Wandoberfläche in Erscheinung. Kavitation kann außerdem Strukturschwingungen, Geräuschabstrahlungen und Verringerung der hydrodynamischen Effizienz im maritimen Bereich und in Strömungsmaschinen hervorrufen.

Maßnahmen zur Reduktion bzw. Vermeidung von kavitationsbedingten Schwingungen, Erosion und Geräuschabstrahlungen können einen wichtigen Beitrag für den wirtschaftlichen Betrieb von Schiffen und Strömungsmaschinen leisten. Dieses Projekt befasst sich mit der Entwicklung effizienter Methoden zur passiven Strömungsbeeinflussung, um die schädlichen Auswirkungen der Kavitation in den verschiedenen Kavitationsregimen zu kontrollieren und zu unterdrücken. Zu diesem Zweck wurde ein keilförmiger Miniaturwirbelerzeuger, ein sogenannter Kavitationsblasenerzeuger (CG), verwendet und zylindrische Miniaturwirbelerzeuger, sogenannte zylindrische Kavitationsblasenerzeuger (CCGs), zur Kavitationskontrolle und zur Stabilisierung der kavitationsbedingten Instabilitäten vorgeschlagen.

In dieser Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen dieser beiden Methoden zur passiven Kavitationskontrolle bei unterschiedlichen Kavitationsbedingungen (wie Kavitationsbeginn, quasi-stationäre Teilkavitation, instationäre Wolkenkavitation und Kavitationsanstiegsregime) durch-geführt. Zunächst wurde eine Hochgeschwindigkeitsvisualisierung der Kavitation um zwei Testfälle ohne Kavitationsbeeinflussung durchgeführt, um die Kavitationsdynamik zu analysieren. Im nächsten Schritt wurde eine PIV-Technik angewendet, um die mittleren Strömungsgeschwindig-keitsprofile um die Oberfläche und im Nachlaufbereich zu messen. Weiterhin wurde eine hydroakustische Messung durchgeführt, um lokale Druckpulsationen im Nachlaufbereich der Testfälle aufzuzeichnen. Anschließend wurden die Auswirkungen der Kavitationsblasenerzeuger auf qualitative Parameter wie Kavitationsstrukturen in verschiedenen Kavitationsregimen mittels Hochgeschwindigkeitsvisualis-ierung untersucht. Schließlich wurden die Auswirkungen der Kavitationsblasenerzeuger auf quantitativen Parameter wie Druckspitzen, Geschwindigkeitsprofile und Ablösefrequenz analysiert und mit den Testfällen ohne Kavitationskontrolle verglichen.

Zusätzlich wurden numerische Untersuchungen von instationären kavitierende Strömungen durchgeführt, um die Auswirkungen der Kavitationskontrolle im Detail zu untersuchen. Zunächst wurden diese Strömungen um die Testfälle ohne Kavitationskontrolle numerisch modelliert. Zur Modellierung der Strömungen wurde ein Euler-Euler-Verfahrens mit VoF Methode angewendet. Ein „Partially-Averaged Navier Stokes (PANS)“-Modell für die Turbulenz wurde mit dem Kavitationsmodell gekoppelt und in einen Open Source Code implementiert. Weiterhin wurde der Einfluss von Parametern des Kavitationsmodells (wie unterschiedliche Keimdichte, Keimradius und Auswirkung des Turbulenzmodellkoeffizienten) auf die Dynamik der instationären Wolkenkavitation analysiert.

Die numerischen Ergebnisse wurden mit den experimentellen Daten dieser Arbeit und den experimentellen Daten einer Benchmark-Studie validiert. Schließlich wurden die Auswirkungen verschiedener passiver Methoden zur Kavitationskontrolle auf die qualitativen und quantitativen Parameter der Kavitation analysiert und mit den Testfällen ohne Kavitationskontrolle verglichen. Mit den experimentellen Daten wurden gute qualitative und quantitative Übereinstimmungen erzielt. Die Ergebnisse zeigten, dass die implementierten Methoden zur Kavitationskontrolle wirksame Methoden sind, um die Kavitationsbereiche zu reduzieren und das instationäre Verhalten der Kavitation zu unterdrücken. Insgesamt liefert diese Arbeit wichtige Ergebnisse für die Untersuchung der Kavitationskontrolle und die Erkenntnisse können in zukünftigen Arbeiten zur Weiterentwicklung in wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen verwendet werden.

Beispielergebnisse

Ccmehs 1
Fig. 1: Photographs of the CAV2003 hydrofoils: (a) without cavitation control and (b) with Cylindrical Cavitating-bubble Generators (CCGs) mounted on the suction side. Symbols s, h, and d are the CCGs diameter, height, and distance between them, respectively (Kadivar et al., 2020).

 

Ccmehs 2
Fig. 2: Sequence of snapshots (angle view) of unsteady cloud cavitation evolution during one typical oscillation cycle over the hydrofoil surface: (a) without and (b) with CCGs. The Reynolds number is Re = 1.4x106, the cavitation number is σ = 1.3, the attack angle is α = 7° (σ/2α = 5.3). The shedding frequencies for the original and modified hydrofoil are f = 74 and 78 Hz, respectively (Kadivar et al., 2019b).

 

​Veröffentlichungen

  • Kadivar, E., Timoshevskiy, M.V., Nichik, Yu., el Moctar, O., Schellin, T.E., Pervunin, K.S.
    “Control of unsteady partial and cloud cavitations in marine engineering and hydraulic systems”,
    Physics of Fluids, Volume 32, pp. 052108, 2020.
  • Kadivar, E., Timoshevskiy, M.V., Pervunin, K.S., el Moctar, O.
    “Cavitation control using Cylindrical Cavitating-bubble Generators (CCGs): Experiments on a benchmark CAV2003 hydrofoil”,
    International Journal of Multiphase Flow, Volume 125, pp. 103186, 2020.
  • Kadivar, E., Timoshevskiy, M.V. , Pervunin, K.S., el Moctar, O.
    “Experimental and numerical study of the cavitation surge passive control around a semi-circular leadingedge flat plate”,
    Journal of Marine Science and Technology Volume 25, 1010-1023, 2019.
  • Kadivar, E., Timoshevskiy, M.V. , Pervunin, K.S., el Moctar, O.
    “Experimental investigation of the passive control of unsteady cloud cavitation using miniature vortex generators (MVGs)”,
    IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 405. pp. 012002, 2019.
  • Kadivar, E., el Moctar, O., Javadi, K.
    “Stabilization of cloud cavitation instabilities using Cylindrical Cavitating-bubble Generators (CCGs)”,
    International Journal of Multiphase Flow, Volume 115, pp. 108-125, 2019.
  • Kadivar, E. and el Moctar, O.
    “Boundary layer instability control in the unsteady cloud cavitating flow”,
    Journal of IOP Conference Series Earth and Environmental Science, Volume 240, 062061, 2019.
  • Kadivar, E., el Moctar, O., Javadi, K.
    “Investigation of the effect of cavitation passive control on the dynamics of unsteady cloud cavitation”,
    Journal of Applied Mathematical Modelling, Volume 64, pp 333-356, 2018.
  • Kadivar, E., Timoshevskiy, M.V., Pervunin, K.S., el Moctar, O.
    “Experimental study of cloud cavitation control using cavitating-bubble generator (CG)”,
    14th International Conference on Hydrodynamics, Rome, Italy, Abstract Accepted, 2020.
  • Kadivar, E., Timoshevskiy, M.V., Pervunin, K.S., el Moctar, O.
    “Experimental investigation of the passive control of unsteady cloud cavitation using miniature vortex generators (MVGs)”,
    IAHR International Workshop on Cavitation and Dynamic Problems in Hydraulic Machinery and Systems, Stuttgart, Germany, 2019.
  •  Kadivar, E. and el Moctar, O.
    “Boundary layer instability control in the unsteady partial cavitation regime using Cavitationg bubble Generators (CGs)”,
    Workshop on Cavitation Exploitation, September 2018, Ljubljana, Slovenia.
  • Kadivar, E. and el Moctar, O.
    “The investigation of cloud cavitation passive control around a hydrofoil using Cavitating-bubble Generators (CGs)”,
    The 10th International Symposium on Cavitation (CAV2018), Baltimore, USA, 2018.
  • Kadivar, E. and el Moctar, O.
    “Boundary layer instability control in the unsteady cloud cavitating flow”,
    29th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems, Kyoto, Japan, 2018.

Projektlaufzeit: January 2017 - January 2020Förderung

  • University of Duisburg-Essen,
  • Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation,
  • Russian Foundation for Basic Research (RFBR)

Projektpartner

  • Kutateladze Institute of Thermophysics (Russian Academy of Sciences),

  • Sharif Universty of Technology