Effects of cavitation on the wake characteristics behind blunt trailing edge hydrofoils

Abstract

(English) The recent developments in hydraulic machinery will increase the possibility of damage resulting from cavitation and/or vortex-induced vibrations. Yet, many researchers have shed light on the vortex street flow and the associated vortex-induced vibration in cavitating-free regimes, but less attention has been paid to the presence of cavitation. In the present study, the effects of cavitation on the vortex street flow behind a blunt trailing edge hydrofoil and its interaction with the vortex-induced vibration have been investigated. This will help to understand the mechanisms involved and to predict the dynamic of vortex-induced vibration with the presence of cavitation, allowing further control of this complex phenomenon in hydraulic machinery and systems. Thus, numerical solvers have been developed that are capable of accounting for the cavitating vortex street flow behind bluff bodies which have been validated and verified using some benchmark cases. Then, the effects of the fluid compressibility in the vortex street flow behind the wedge have been determined. Moreover, a series of numerical studies on cavitating vortex street flow behind a blunt trailing edge hydrofoil NACA 0009 have been conducted by predicting the boundary layer transition. As a result, the effects of cavitation on flow dynamics and its interaction with vortex-induced vibration have been examined. The impacts of fluid compressibility on the dynamics of the cavitating wake flow have been found to depend on the frequency range. At low frequencies, the effects of fluid compressibility are minimal and can be disregarded. On the other hand, fluid compressibility has been observed to amplify spectral energy at high frequencies. Interestingly, it has been found that almost identical numerical results with and without fluid compressibility are obtained in terms of predicted mean pressure profiles, dominant vortex shedding frequencies, and instantaneous and mean void fraction fields, which suggests that the compressibility effects on cavitating vortex shedding can be neglected. For the cavitating vortex street flow behind a blunt trailing edge hydrofoil NACA 0009, high-fidelity numerical simulations have been established in the current thesis. Based on the results, it has been observed that cavitation has a significant impact on the wake flow dynamics, notably increasing the shedding frequency of the primary vortices. Additionally, cavitation growth leads to increased hydrodynamic loads on the hydrofoil surface. Furthermore, cavitation development enhances the advected velocity of the vortices while decreasing the streamwise inter-vortex spacing. Both factors are believed to contribute to the increase of the vortex shedding frequency while the reduction of streamwise inter-vortex spacing tends to dominate this increase. The numerical results related to cavitating vortex street flow behind a blunt trailing edge hydrofoil NACA 0009 subjected to forced oscillation have shown that the induced dynamic response due to the oscillation is influenced by the presence of cavitation. In the lock-in regime, cavitation appears to widen the upper bound of this regime and cause a decrease in the added moment of inertia and an increase in the added damping. Moreover, the timing of the vortex shedding changes with the presence of cavitation. On the other hand, the oscillation of the hydrofoil affects the dynamics of cavitation in terms of cavitation inception and cavity length. Generally, the cavitation inception number gradually increases with the forced oscillation frequency. Meanwhile, approaching the bounds of the lock-in regime will cause local decreases in cavitation inception numbers. Besides, the length of the cavitating wake is influenced by the variation of the oscillation frequency, and the maximum cavitating wake length occurs under stationary conditions.

(Español) Los recientes avances en maquinaria hidráulica aumentan la posibilidad de daños derivados de la cavitación y/o de las vibraciones inducidas por vórtices. Aunque muchos investigadores han investigado el flujo de las calles de vórtices de Von Kármán y las vibraciones inducidas en regímenes sin cavitación, se ha prestado menos atención a los efectos de la presencia de cavitación. En el presente estudio, se han investigado los efectos de la cavitación en el flujo de la calle de vórtices detrás de un hidroala con borde de fuga truncado y su interacción con la vibración inducida por vórtices. Ello ayudará a comprender los mecanismos implicados, permitiendo un mayor control de este complejo fenómeno en maquinaria y sistemas hidráulicos. Así, se han desarrollado métodos numéricos capaces de dar cuenta del flujo de calle de vórtices cavitante detrás de cuerpos romos que se han validado y verificado utilizando algunos casos de referencia. A continuación, se han determinado los efectos de la compresibilidad del fluido en el flujo de calle de vórtice detrás de una cuña. Además, se han realizado una serie de estudios numéricos sobre el flujo de calle de vórtices cavitante detrás de un hidroala de borde de fuga truncado NACA 0009 mediante la predicción de la transición de la capa límite. Como resultado, se han examinado los efectos de la cavitación en la dinámica del flujo y su interacción con la vibración inducida por vórtices. Se ha comprobado que los efectos de la compresibilidad del fluido en la dinámica del flujo de estela cavitante dependen de la gama de frecuencias. A bajas frecuencias, los efectos de la compresibilidad son mínimos y pueden despreciarse. Por otro lado, la compresibilidad amplifica la energía espectral a altas frecuencias. Curiosamente, se obtienen resultados numéricos casi idénticos con y sin compresibilidad en términos de perfiles de presión media, frecuencias de desprendimiento y campos del porcentaje en volumen instantáneos y medios, lo que sugiere que los efectos de la compresibilidad pueden despreciarse. Mediante simulaciones numéricas de alta fidelidad del flujo de calle de vórtices cavitantes detrás NACA 0009 truncado, se ha observado que la cavitación tiene un impacto significativo en la dinámica del flujo de estela, aumentando notablemente la frecuencia de desprendimiento de los vórtices primarios. Además, el aumento de la cavitación incrementa las cargas hidrodinámicas sobre el hidroala. El desarrollo de la cavitación aumenta la velocidad de advección de los vórtices, al tiempo que disminuye la separación entre vórtices en el sentido de la corriente. Ambos factores contribuyen al aumento de la frecuencia de desprendimiento de los vórtices, mientras que la reducción de la separación entre vórtices tiende a dominar este aumento. Los resultados numéricos relacionados con el flujo de la calle de vórtices cavitantes detrás del NACA 0009 truncado y sometido a una oscilación forzada han demostrado que la respuesta dinámica inducida se ve influida por la presencia de cavitación. La cavitación parece alargar el límite superior del régimen de lock-in y provocar una disminución del momento de inercia añadido y un aumento del amortiguamiento añadido. Además, el instante temporal de desprendimiento de los vórtices cambia con la presencia de cavitación. Por otra parte, la oscilación afecta a la dinámica de la cavitación en términos de inicio de la cavitación y longitud de la cavidad. En general, el coeficiente de inicio de la cavitación aumenta gradualmente con la frecuencia de oscilación forzada. Mientras tanto, la aproximación a los límites del lock-in provoca disminuciones locales en los números de inicio de cavitación. Además, la longitud de la estela de cavitación se ve influida por la variación de la frecuencia de oscilación, y la longitud máxima de la estela de cavitación se produce en condiciones estacionarias.