Development of a Numerical Method to Predict Hydrodynamic Cavitation Induced Erosion

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Bettar Ould El Moctar
• Subject Area: Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines ; Fluid Mechanics
• Term: from 2016 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 290858502

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Vorhabens wurde eine Lagrange’sche Methode zur Berechnung des Transports und der Dynamik kleinskaliger Kavitationsblasen mit einem Euler’schen Kontinuums-Verfahren kombiniert. Dadurch können Transport und Dynamik von Einzelblasen dort berechnet werden, wo sie für die Vorhersage von kavitationsbedingter Erosion an benachbarten Materialoberflächen wichtig sind. Die Dynamik der Einzelblasen dient zur Vorhersage von Erosionsschäden an benachbarten Materialoberflächen. Zunächst wurden verschiedene Modelle zur Berechnung der Blasendynamik in den vorhandenen Programmcode implementiert und validiert. Es zeigte sich, dass erwartungsgemäß eine Berücksichtigung von Kompressibilitätseffekten beim Kollaps der Blase von Bedeutung ist. Die Lagrange’sche Bewegungsgleichung der Blase wurde um eine Auftriebskraft, eine Volumenvariationskraft und eine Widerstandskraft zur Simulation aufsteigender Blasen erweitert. Ein vorhandener Strömungslöser, basierend auf einem Ein-Wege-gekoppelten Euler-Lagrange-Verfahren, wurde um verschiedene Einflüsse der Interaktion zwischen den Phasen weiterentwickelt. Interaktionen zwischen einzelnen Blasen wurden in Form von Kollision und Koaleszenz berücksichtigt. Anschließend wurden die Ansätze der Euler’schen und Lagrange’schen Betrachtungsweise von Dampfvolumen in einem hybriden Verfahren kombiniert. Das hybride Verfahren ist in der Lage, abhängig von Gitterauflösung und Größe der Dampfvolumina Umwandlungen der Dampfvolumina zwischen den Frameworks vorzunehmen. Das Verfahren wurde so implementiert, dass das Volumen umgewandelter Dampfgebiete vollständig in das neue Framework überführt wird, so dass das Gesamtvolumen des Dampfes erhalten bleibt. Die Umwandlung kleiner, isolierter Dampfvolumina in Lagrange’sche Einzelblasen ermöglichte es, Blaseninformationen in Bereichen zu erhalten, in denen ein Euler-Ansatz auf Grund numerischer Diffusion versagt. Durch die Berechnung der Blasendynamik auf kleinen Zeitskalen können Blasenkollapse identifiziert werden. Kollapse von Blasen in der Nähe von Materialoberflächen können als aggressiv eingestuft und zur Bewertung der Erosivität verwendet werden. Der Fortschritt gegenäber dem Stand der Wissenschaft kann wie folgt dargestellt werden: • Implementierung eines Euler-Lagrange-Verfahrens unter Berücksichtigung verschiedener Interaktionen zwischen den Phasen. • Berechnung der Dynamik von Kavitationsblasen basierend auf verschiedenen Gleichungen für Blasenwachstum und -kollaps. • Entwicklung eines voll-parallelisierten, hybriden Euler-Euler-/Euler-Lagrange-Verfahrens zur Simulation kavitierender Strömungen. • Vorhersage von Erosion basierend auf Kollapsen einzelner Kavitationsblasen.

Publications

• “Numerical Prediction of Cavitation Erosion on a Ship Propeller in Model- and Full-Scale”. Wear, 408-409: 1-12, 2018
  Andreas Peters, Udo Lantermann, Ould el Moctar
  
• “Simulation of an Internal Nozzle Flow Using an Euler-Lagrange Method”. In Proceedings of the 10th International Symposium on Cavitation, CAV 2018, Baltimore, Maryland, USA
  Andreas Peters, Udo Lantermann, Ould el Moctar