Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad Reza Pishevar,Seyed saeed Mortazavi
احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد راهنما) سیدسعید مرتضوی راوری (استاد مشاور)
 
STUDENT
Ali Jafarian
علی جعفریان

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1388

TITLE

A Numerical Method Based on an Exact Riemann Solution for Simulating the Cavitation Phenomenon in Water Flow
In this research a one-fluid method based on an exact Riemann solver with a novel wave pattern is presented. This model utilizes the isothermal equation of state which is consistent with the behavior of water in compressible fluid flow. The equation is a triple function and is able to capture the behavior of water in all liquid, two-phase and vapor phases. The Tait equation of state is used for the liquid phase and the pressure in the saturation dome is considered as constant saturation pressure P sat . The ideal gas equation of state is also used for the vapor phase. The present model assumes that the vaporization occurs via a distinct wave named as evaporation wave. The speed of the evaporation wave is considered as the last expansion wave in liquid phase. Because the pressure in saturation dome is constant, no wave can propagate in the two-phase region and the expansion wave only propagate in the liquid and vapor phases. Hence, a constant zone separates the general expansion wave into two different parts. The new model is verified with different 1D and 2D examples. First, a 1D shock tube problem with several initial conditions is simulated and the results are compared with the one-phase Riemann solver and modified-Schmidt model. Then the one-dimensional water hammer problem with cavitation is simulated and the results are validated with the experimental results. After that, the two dimensional underwater explosion problem is simulated and the results are compared with two different numerical simulations in the literature. The simulation is conducted using the Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) scheme and the one-fluid method. In the ALE scheme, the interface of the gas bubble and the water medium moves Lagrangian and the other computational nodes moves arbitrarily according to the smoothing function and proportional to the interface movement. The triangular computational cell is implemented using the Delaunay triangulation method. In order to capture the wave front precisely, the adaptive grid with remeshing process is implemented in the ALE code. Then, the new method is used for simulation of supercavitating flow around different objects. First, the supercavitation phenomenon around the cylinder is explored and the effect of the cavitator head shape and the velocity of the free stream over the cylinder is studied and the cavitation bubble profile is compared with the other numerical and analytical solutions. Then, the supercavitating flow over the projectile is simulated. Results show a good agreement with other numerical and experimental results. In addition, the simulat ed results illustrates that the supercavitation flow cause significant reduction in skin friction drag and the total drag on the body is reduced. Keywords: Riemann solver, cavitation, One-fluid method, Equation of state, Compressible flow, Underwater explosion, Supercavitation
در رساله‌ی حاضر یک مدل تک سیالی بر اساس حل دقیق مسأله‌ی ریمان دوفازی برای حل جریان تراکم‌پذیر آب به همراه کاویتاسیون ارائه شده است. در مدل حاضر از الگویی نوین برای امواج در حل مسأله‌ی ریمان دوفازی استفاده شده است و همچنین از معادله‌ی حالت سازگار با آب در فرآیند هم‌دما در هنگام کاویتاسیون استفاده شده است. معادله‌ی حالت مورد استفاده یک معادله‌ی حالت سه ضابطه‌ای است و تغییرات فشار بر حسب چگالی را برای تمامی فازهای مایع، دوفازی و اشباع پوشش می‌دهد. در معادله‌ی حالت ارائه شده، برای فاز مایع از معادله‌ی حالت تِیت استفاده شده است و در حالت دوفازی فشار سیال ثابت و برابر با فشار اشباع آب در دمای مورد نظر قرار داده شده است و برای فاز بخار سیال به صورت گاز ایده‌آل در نظر گرفته شده است. در مدل حاضر فرض شده است که فرآیند تغییر فاز با استفاده از یک موج مشخص به نام موج تبخیر صورت می‌گیرد و سرعت این موج برابر با آخرین موج انبساطی در فاز مایع در نظر گرفته شده است. در الگوی جدید ارائه شده برای امواج، با توجه به ثابت بودن فشار در حالت دوفازی هیچ موجی در این ناحیه منتشر نمی‌شود و امواج انبساطی در فاز مایع و بخار منتشر خواهند شد. بدین ترتیب یک ناحیه‌ با خواص ثابت در بین دو ناحیه‌ی برای امواج ایجاد می‌شود. مدل حاضر با استفاده از حل مسائل مختلف یک بعدی و دوبعدی صحت سنجی شده است. مسأله‌ی لوله‌ی ضربه برای حالات مختلف مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج با مدل اشمیت اصلاح شده مقایسه شده است. مسأله‌ی ضربه‌ی قوچ به همراه کاویتاسیون در حالت یک بعدی شبیه‌سازی شده است و نتایج با داده‌های آزمایشگاهی صحت سنجی شده است. همچنین مسأله‌ی انفجار زیر آب با استفاده از مدل حاضر و روش ALE برای دو حالت مختلف مدلسازی شده و نتایج بدست آمده با نتایج حاصل از روش‌های عددی مختلف مقایسه‌ شده است. در این روش سطح مشترک بین گاز و آب به صورت یک مرز مشخص در زمان در نظر گرفته شده است که این سطح به صورت لاگرانژی در زمان حرکت می‌کند. سایر نقاط شبکه نیز با استفاده از یک تابع هموار متناسب با حرکت سطح مشترک گاز-آب حرکت خواهند کرد. به منظور شبیه‌سازی دقیق انتشار امواج انبساطی و تراکمی در دو محیط از شبکه‌بندی مثلثی دلانی و به صورت شبکه‌ی تطبیقی استفاده شده است. در نهایت مسأله‌ی سوپرکاویتاسیون برای حرکت اجسام مختلف مانند استوانه و گلوله در داخل آب شبیه‌سازی شده است و عوامل مختلف مانند اثر مولد کاویتاسیون و سرعت و هندسه‌ی گلوله مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بدست آمده از مدلسازی‌های صورت گرفته نشان‌دهنده‌ی دقت بالای روش در محاسبه‌ی پروفیل حباب سوپرکاویتاسیون است و تطابق بسیار خوبی با نتایج حاصل از داده‌های عددی و آزمایشگاهی را نشان می‌دهد. همچنین نتایج حاصل از شبیه‌سازی نشان می‌دهد که طراحی اجسام به صورت سوپرکاویتی سبب کاهش چشمگیر نیروی پسای اصطکاکی و نیز کاهش نیروی پسای کل بر روی جسم می‌گردد. کلمات کلیدی: کاویتاسیون، جریان تراکم‌پذیر، حلگر ریمان، روش ALE، معادله‌ی حالت، انفجار زیر آب، سوپرکاویتاسیون

ارتقاء امنیت وب با وف بومی