مطالعه وقوع پدیده کاویتاسیون با استفاده از روش شبکه بولتزمن چندفازی و با اعمال معادلات حالت مختلف

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی هوافضا، دانشکده مهندسی فناوری های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

مطالعه کاویتاسیون، به دلیل وقوع آن در سامانه‌های سیالاتی مانند پمپ‌ها، نازل‌‌ها و افشانه‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است. در مطالعه حاضر، روش شبکه بولتزمن چندفازی برای شبیه‌سازی عددی جریان‌‌های کاویتاسیونی توسعه داده ‌شده‌است. برهم‌کنش و جدایش فازهای مایع و بخار با اعمال روش اختلاف دقیق صورت گرفته و جهت دستیابی به پایداری عددی با حداقل جریان‌های غیر‌فیزیکی و انطباق ترمودینامیکی بهتر نتایج عددی، از معادله‌های حالت مناسب استفاده ‌شده‌است. در این راستا، معادلات حالت مکعبی Shan-Chen (SC) و Carnahan—Starling (CS) و معادله حالت غیرمکعبی Peng-Robinson (PR) اعمال شده‌اند. دقت و کارآیی الگوریتم حاضر با حل وقوع کاویتاسیون همگن و غیرهمگن مطالعه شده و نتایج بدست‌آمده با نتایج دیگران مقایسه شده‌است. الگوریتم توسعه‌یافته برای بررسی وقوع و رشد حباب‌های کاویتاسیونی و دینامیک آن به کار گرفته شده و با استفاده از هر یک از معادلات حالت، تاثیر آب‌دوستی و آب‌گریزی سطوح دیواره بر پایداری عددی و نحوه برهم‌کنش بین جامد و سیال و اثرگذاری آن در چگونگی وقوع پدیده کاویتاسیون و دینامیک ناحیه کاویتاسیونی در گلوگاه یک نازل همگرا-واگرا مورد مطالعه قرارگرفته‌است. ارزیابی نتایج حاصل از الگوریتم حاضر با نتایج موجود در منابع و مراجع نشان می‌دهد که روش شبکه بولتزمن چندفازی با استفاده از یک معادله حالت مناسب، قابلیت و توانمندی بسیار خوبی برای شبیه‌سازی جریان‌های کاویتاسیونی در هندسه-های کاربردی را دارا بوده و دینامیک پیچیده حباب‌های کاویتاسیونی را به‌خوبی تسخیر می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Study of cavitation inception using multiphase lattice Boltzmann method with incorporating equations of state

نویسندگان [English]

  • Eslam Ezzatneshan
  • Hamed Vaseghnia
Aerospace Engineering Group, Dep. New Technologies Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]

The study of cavitation inception is crucial in several hydraulic machines, e.g. pumps, nozzles and sprays. In the present study, a multiphase lattice Boltzmann method (LBM) is implemented for simulation of the cavitation bubbles dynamics and characteristics of cavitating flows. The effect of employing various equations of state (EoS) is investigated on the computing of interaction forces and the phase separation between the liquid and its vapor in the cavitating flows. Herein, the cubic EoSs of Shan-Chen (SC) and Carnahan-Starling (CS) and the non-cubic EoS of Peng-Robinson (PR) are applied. The exact difference method is imposed to improve the numerical stability for simulation of two-phase flow systems. The accuracy and efficiency of the present method are examined by comparison of the results obtained for the homogeneous and heterogeneous cavitation with those of reported in the literature. Then, the implemented multiphase LBM is used for studying the inception and growth of the cavitation bubbles in the throat of a venturi. The effect of hydrophobicity and hydrophobicity of the nozzle wall on the cavitation dynamics is investigated and a detail discussion is made for the results from the numerical and physical point of view. Evaluation of the present results shows that the multiphase LBM with incorporating an appropriate equation of state has excellent capability for prediction of the bubble dynamics and cavitating flow characteristics in applied geometries.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cavitation inception
  • Multiphase lattice Boltzmann method
  • Equations of state
  • Exact difference method