شبیه سازی عددی جریان کاویتاسیونی داخل نازل با استفاده از روش شبکه بولتزمن چندفازی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، گروه مهندسی هوافضا، دانشکده مهندسی و فناوری‌های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

در مقاله حاضر، شبیه­سازی عددی جریان کاویتاسیونی داخل نازل با استفاده از روش شبکه بولتزمن چندفازی به­همراه مدل شان-چن انجام شده­است. یک تابع پتانسیل برای مدل کردن اندرکنش ذرات سیال استفاده شده که میدان سرعت جریان را اصلاح کرده و تغییر فاز بخار-مایع همچنین اثرات کشش سطحی در فصل مشترک بین دو فاز را در جریان­های کاویتاسیونی شبیه­سازی می­کند. معادله خطی بدست آمده در الگوریتم حاضر بر اساس روش شبکه بولتزمن به­سادگی قابل حل بوده که یکی از مزیت­های اصلی روش عددی حاضر در مقایسه با حل عددی معادلات غیرخطی ناویر-استوکس به­همراه مدل­های پیچیده کاویتاسیونی موجود است. دقت و کارآیی الگوریتم حاضر بر اساس روش شبکه بولتزمن جهت حل جریان­های کاویتاسیونی با استفاده از حل جریان داخل نازل و مقایسه و ارزیابی نتایج به­دست آمده با نتایج در دسترس نشان داده­شده است. صحت و دقت نتایج به­دست­آمده در کنار سادگی گسسته­سازی و حل عددی معادله حاکم در الگوریتم حاضر نشان­دهنده کارآیی روش شبکه بولتزمن چندفازی برای شبیه­سازی عددی جریان­های کاویتاسیونی در داخل نازل است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Nurick W. H., Orifice Cavitation and its Effect on Spray Mixing, ASME J. Fluids Eng., Vol. 98, pp. 681–687, 1976.
[2]  Meyer R. S., Billet M. L., and Hall J. M., Free Stream Nuclei and Traveling Bubble Cavitation, ASME J. Fluids Eng., Vol. 114, pp. 672–679, 1992.
[3]  Stutz B. and Rebound J. L., Measurements within Unsteady Cavitation, Exp. Fluids, Vol. 29, pp. 545–552, 2000.
[4]  Suh H. K. and Lee C. S., Effect of Cavitation in Nozzle Orifice on the Diesel Fuel Atomization Characteristics, Int. J. Heat and Fluid Flow, Vol. 29, pp. 1001–1009, 2008.
[5]  Delannoy Y. and Kueny J. L., Two phase flow approach in unsteady cavitation modeling, ASME Cavitation and Multi-phase Flow Forum, Vol. 109, pp. 153–159, 1990.
[6]  Merkle C. L., Feng J. and Buelow P., Computational modelling of the dynamics of sheet cavitation, 3rd Int. Symposium on Cavitation, Grenoble, France, 1998.
[7]  Senocak I. and Shyy W., Interfacial dynamics-based modelling of turbulent cavitating flows, part-1: model development and steady-state computations, Int. J. for Numerical Methods in Fluids, Vol. 44, pp. 975–995, 2004.
[8]  Huang B., Wang G. and Yuan H., A Cavitation Model for Cavitating Flow Simulations, J. Hydrodynamics: Ser. B, Vol. 22, No. 5, pp. 798-804, 2010.
[9]  Senocak I. and Shyy W., Evaluation of cavitation models for Navier-Stokes Computations, Proceedings of FEDSM’02, 2002 ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting, Montreal, Quebec, Canada, July 14–18, 2002.
[10]             Morgut M., Nobile E., and Bilus I., Comparison of mass transfer models for the numerical prediction of sheet cavitation around a hydrofoil, J. Multiphase Flow, Vol.37, pp. 620–626, 2011.
[11]             Hejranfar K., Ezzatneshan E. and Fattah-Hesari K., A Comparative Study of Two Cavitation Modeling Strategies for Simulation of Inviscid Cavitating Flows, J. Ocean Engineering, Vol. 108, pp. 257-275, 2015.
[12]             Falcucci G., Jannelli E., Ubertini S. and Succi S., Direct numerical evidence of stress-induced cavitation, J. Fluid Mech.,Vol. 728, pp. 362-375, 2013.
[13]             Falcucci G., Ubertini S., Bella G. and Succi S., Lattice Boltzmann simulation of cavitating flows, Commun. Comput. Phys., Vol. 13, pp. 685–695, 2013.
[14]             Nourgaliev R. R., Dinh T. N., Theofanous T. G. and Joseph D., The lattice Boltzmann equation method: theoretical interpretation, numerics and implications, Int. J. Multiphase Flow, Vol. 29, pp. 117-169, 2003.
[15]             Lee T. and Lin C. L., Pressure evolution lattice-Boltzmann-equation method for two-phase flow with phase change, Phys. Rev. E, Vol. 67, 056703, 2003.
[16]             Gong S. and Cheng P., Numerical investigation of droplet motion and coalescence by an improved lattice Boltzmann model for phase transitions and multiphase flows, Computers & Fluids, Vol. 53, pp. 93-104, 2012.
[17]             Shan X. and Chen H., Lattice Boltzmann model for simulating flows with multiple phases and components, Phys. Rev. E, Vol. 47, pp. 1815–1820, 1993.
[18]             Benzi R., Biferale L., Sbragaglia M., Succi S and Toschi F., Mesoscopic modeling of a two-phase flow in the presence of boundaries: The contact angle, Phys. Rev. E, Vol. 74, No. 2, 021509, 2006.
[19]             Shan X. and Chen H., Simulation of nonideal gases and liquid-gas phase transitions by the lattice Boltzmann equation. Phys. Rev. E, Vol. 49, pp. 2941–2948, 1994.
[20]             Zou Q. and He X., On Pressure and Velocity Flow Boundary Conditions and Bounceback for the Lattice Boltzmann BGK Model, Physics of Fluids, Vol. 9, No. 6, pp. 1591–1598, 1997.
[21]             Guo Z., Zheng C., and Shi B., Non-equilibrium Extrapolation Method for Velocity and Pressure Boundary Conditions in the Lattice Boltzmann Method, Chinese Physics, Vol. 11, No. 4, pp. 366-374, 2002.
[22]             Sukop M. C. and Thorne D. T., Lattice Boltzmann Modeling, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007.
[23]             Latt J. and Chopard B., Lattice Boltzmann method with regularized non-equilibrium distribution functions, Math. Comp. Sim., Vol. 72, No. 1, pp. 165–168, 2006.
[24]             Maxwell J. C., On the Dynamical Evidence of the Molecular Constitution of Bodies, Nature, Vol. 11, pp. 357–359, 1875.