Investigation of three-dimensional effects on a cavitating Venturi flow

International audienceA numerical investigation of the behaviour of a cavitation pocket developing along a Venturi geometry has been performed using a compressible one-fluid hybrid RANS/LES solver. The interplay between turbulence and cavitation regarding the unsteadiness and structure of the flow is complex and not well understood. This constitutes a determinant point to accurately simulate the dynamic of sheet cavities. Various turbulent approaches are tested: a new Scale-Adaptive model and the Detached Eddy Simulation. 2D and 3D simulations are compared with the experimental data. An oblique mode of the sheet is put in evidence

A comparative study of cavitation models in a Venturi flow

International audienceThis paper presents a numerical study of an aperiodic cavitation pocket developing in a Venturi flow. The mass transfer between phases is driven by a void ratio transport equation model. A new free-parameter closure relation is proposed and compared with other formulations. The re-entrant jet development, void ratio profiles and pressure fluctuations are analysed to discern results accuracy. Comparisons with available experimental data are done and good agreement is achieved

Etude numérique d'un écoulement cavitant avec un modèle de turbulence scale adaptive

L'étude concerne la simulation d'un écoulement cavitant, réalisée avec un code diphasique RANS 1-fluide. Les modèles standards de turbulence sont incapables de restituer les instationnarités de l'écoulement. Seul l'ajout de corrections empiriques de la viscosité turbulente permet de capter les instationnarités. Le présent travail propose une formulation Scale-Adaptive basée sur les développements de Menter&Egorov. Elle constitue une base plus solide que les corrections empiriques. Les résultats obtenus en géométrie de Venturi sont en bon accord avec les mesures expérimentales

Modélisation et simulation de la turbulence compressible en milieu diphasique (application aux écoulements cavitants instationnaires)

La simulation des écoulements cavitants est confrontée à des difficultés de modélisation et de résolution numérique provenant des caractéristiques particulières de ces écoulements : changement de phase, gradient de masse volumique important, variation du nombre de Mach, turbulence diphasique, instationnarités. Dans cette thèse, nous nous sommes appliqués à dériver proprement le modèle de mélange homogène 1-fluide couplé à une modélisation RANS de la turbulence. A partir des termes contenus dans ces équations et de la nature des écoulements cavitants étudiés, plusieurs modèles de turbulence basés sur la notion de viscosité turbulente ont été testés : modèles faiblement non-linéaires (corrections SST et de réalisabilité), ajout des termes de turbulence compressible, application de la correction de Reboud, modèles hybrides RANS/LES (DES, SAS). Ces modèles ont été incorporés dans un code compressible qui fait appel à une résolution implicite en pas de temps dual des équations de conservation avec une technique de pré-conditionnement bas-Mach pour traiter les zones incompressibles. Les simulations 2D et 3D ont porté sur deux géométries de type Venturi caractérisées par la présence d une poche de cavitation instationnaire due à l existence d un jet rentrant liquide/vapeur le long de la paroi. Elles montrent que l ensemble des modèles sont capables de capturer le jet rentrant. En revanche, la dynamique de la poche varie entre les modèles et le manque de données expérimentales ne permet pas de discriminer les modèles entre eux. Il apparaît à la vue des résultats que les approches avec la correction de Reboud ou les modèles SAS améliorent la simulation des écoulements.The computation of cavitating flows is a challenging issue due to the characteristics of these flows : phase transition, large density gradient, Mach number variation, interaction between phases and turbulent flow, unsteadiness. In the present study, we performed a derivation of the one-fluid compressible homogenous model coupled with a RANS approach for the turbulent flow. From these equations and the nature of the cavitating flows, several models based on the eddy viscosity assumption have been tested : weakly non-linear models (SST and realisability corrections), compressible turbulence models, hybrid RANS/LES turbulence models (SAS, DES) and the Reboud correction. All the models are implemented in a compressible code, which solves the equations using an implicit dual-time stepping method coupling with a pre-conditionning technique for the incompressible area. 2D and 3D computations are performed on two Venturi geometries characterized by an unsteady cavitation sheet with a liquid/vapor re-entrant jet. All the models are able to capture the re-entrant jet. Nevertheless, the dynamic behaviour differs from one model to another and the lack of experimental data prevents to discriminate the models between them. From the results, the computations with the SAS model and the Reboud correction improve the prediction of the flow.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Mind the gap: a new insight into the tip leakage vortex using stereo-PIV

The tip leakage vortex (TLV), which develops in the clearance between the rotor and the stator of axial hydro turbines, has been studied for decades. Yet, many associated phenomena are still not understood. For instance, it remains unclear how the clearance size is related to the occurrence of cavitation in the vortex, which can lead to severe erosion. Experiments are here carried out on the influence of the clearance size on the tip vortex structure in a simplified case study. A NACA0009 hydrofoil is used as a generic blade in a water tunnel while the clearance between the blade tip and the wall is varied. The 3D velocity fields are measured using Stereo Particle Image Velocimetry (SPIV)in three planes located downstream of the hydrofoil for different values of the upstream velocity, the incidence angle and a large number of tip clearances. The influence of the flow conditions on the structure of the TLV is described through changes in the vortex intensity, core axial flow, vortex center position and wandering motion amplitude. Moreover, high-speed visualizations are used to highlight the vortex core trajectory and clearance flow alteration, turning into a wall jet as the tip clearance is reduced. The measurements clearly reveal the existence of a specific tip clearance for which the vortex strength is maximum and most prone to generating cavitation

Mind the gap: a new insight into the tip leakage vortex using stereo-PIV

The tip leakage vortex (TLV), which develops in the clearance between the rotor and the stator of axial hydro turbines, has been studied for decades. Yet, many associated phenomena are still not understood. For instance, it remains unclear how the clearance size is related to the occurrence of cavitation in the vortex, which can lead to severe erosion. Experiments are here carried out on the influence of the clearance size on the tip vortex structure in a simplified case study. A NACA0009 hydrofoil is used as a generic blade in a water tunnel while the clearance between the blade tip and the wall is varied. The 3D velocity fields are measured using Stereo Particle Image Velocimetry (SPIV) in three planes located downstream of the hydrofoil for different values of the upstream velocity, the incidence angle and a large number of tip clearances. The influence of the flow conditions on the structure of the TLV is described through changes in the vortex intensity, core axial flow, vortex center position and wandering motion amplitude. Moreover, high-speed visualizations are used to highlight the vortex core trajectory and clearance flow alteration, turning into a wall jet as the tip clearance is reduced. The measurements clearly reveal the existence of a specific tip clearance for which the vortex strength is maximum and most prone to generating cavitation

RANS computations of tip vortex cavitation

Some two-dimensional (2D) exfoliated zeolites are single- or near single-unit cell thick silicates that can function as molecular sieves. Although they have already found uses as catalysts, adsorbents and membranes precise determination of their thickness and wrinkling is critical as these properties influence their functionality. Here we demonstrate a method to accurately determine the thickness and wrinkles of a 2D zeolite nanosheet by comprehensive 3D mapping of its reciprocal lattice. Since the intensity modulation of a diffraction spot on tilting is a fingerprint of the thickness, and changes in the spot shape are a measure of wrinkling, this mapping is achieved using a large-angle tilt-series of electron diffraction patterns. Application of the method to a 2D zeolite with MFI structure reveals that the exfoliated MFI nanosheet is 1.5 unit cells (3.0 nm) thick and wrinkled anisotropically with up to 0.8 nm average surface roughness. © 2015 Macmillan Publishers Limited

Modélisation et simulation de la turbulence compressible en milieu diphasique : application aux écoulements cavitants instationnaires

The computation of cavitating flows is a challenging issue due to the characteristics of these flows : phase transition, large density gradient, Mach number variation, interaction between phases and turbulent flow, unsteadiness. In the present study, we performed a derivation of the one-fluid compressible homogenous model coupled with a RANS approach for the turbulent flow. From these equations and the nature of the cavitating flows, several models based on the eddy viscosity assumption have been tested : weakly non-linear models (SST and realisability corrections), compressible turbulence models, hybrid RANS/LES turbulence models (SAS, DES) and the Reboud correction. All the models are implemented in a compressible code, which solves the equations using an implicit dual-time stepping method coupling with a pre-conditionning technique for the incompressible area. 2D and 3D computations are performed on two Venturi geometries characterized by an unsteady cavitation sheet with a liquid/vapor re-entrant jet. All the models are able to capture the re-entrant jet. Nevertheless, the dynamic behaviour differs from one model to another and the lack of experimental data prevents to discriminate the models between them. From the results, the computations with the SAS model and the Reboud correction improve the prediction of the flow.La simulation des écoulements cavitants est confrontée à des difficultés de modélisation et de résolution numérique provenant des caractéristiques particulières de ces écoulements : changement de phase, gradient de masse volumique important, variation du nombre de Mach, turbulence diphasique, instationnarités. Dans cette thèse, nous nous sommes appliqués à dériver proprement le modèle de mélange homogène 1-fluide couplé à une modélisation RANS de la turbulence. A partir des termes contenus dans ces équations et de la nature des écoulements cavitants étudiés, plusieurs modèles de turbulence basés sur la notion de viscosité turbulente ont été testés : modèles faiblement non-linéaires (corrections SST et de réalisabilité), ajout des termes de turbulence compressible, application de la correction de Reboud, modèles hybrides RANS/LES (DES, SAS). Ces modèles ont été incorporés dans un code compressible qui fait appel à une résolution implicite en pas de temps dual des équations de conservation avec une technique de pré-conditionnement bas-Mach pour traiter les zones incompressibles. Les simulations 2D et 3D ont porté sur deux géométries de type Venturi caractérisées par la présence d’une poche de cavitation instationnaire due à l’existence d’un jet rentrant liquide/vapeur le long de la paroi. Elles montrent que l’ensemble des modèles sont capables de capturer le jet rentrant. En revanche, la dynamique de la poche varie entre les modèles et le manque de données expérimentales ne permet pas de discriminer les modèles entre eux. Il apparaît à la vue des résultats que les approches avec la correction de Reboud ou les modèles SAS améliorent la simulation des écoulements

Modélisation et simulation de la turbulence compressible en milieu diphasique : application aux écoulements cavitants instationnaires

The computation of cavitating flows is a challenging issue due to the characteristics of these flows : phase transition, large density gradient, Mach number variation, interaction between phases and turbulent flow, unsteadiness. In the present study, we performed a derivation of the one-fluid compressible homogenous model coupled with a RANS approach for the turbulent flow. From these equations and the nature of the cavitating flows, several models based on the eddy viscosity assumption have been tested : weakly non-linear models (SST and realisability corrections), compressible turbulence models, hybrid RANS/LES turbulence models (SAS, DES) and the Reboud correction. All the models are implemented in a compressible code, which solves the equations using an implicit dual-time stepping method coupling with a pre-conditionning technique for the incompressible area. 2D and 3D computations are performed on two Venturi geometries characterized by an unsteady cavitation sheet with a liquid/vapor re-entrant jet. All the models are able to capture the re-entrant jet. Nevertheless, the dynamic behaviour differs from one model to another and the lack of experimental data prevents to discriminate the models between them. From the results, the computations with the SAS model and the Reboud correction improve the prediction of the flow.La simulation des écoulements cavitants est confrontée à des difficultés de modélisation et de résolution numérique provenant des caractéristiques particulières de ces écoulements : changement de phase, gradient de masse volumique important, variation du nombre de Mach, turbulence diphasique, instationnarités. Dans cette thèse, nous nous sommes appliqués à dériver proprement le modèle de mélange homogène 1-fluide couplé à une modélisation RANS de la turbulence. A partir des termes contenus dans ces équations et de la nature des écoulements cavitants étudiés, plusieurs modèles de turbulence basés sur la notion de viscosité turbulente ont été testés : modèles faiblement non-linéaires (corrections SST et de réalisabilité), ajout des termes de turbulence compressible, application de la correction de Reboud, modèles hybrides RANS/LES (DES, SAS). Ces modèles ont été incorporés dans un code compressible qui fait appel à une résolution implicite en pas de temps dual des équations de conservation avec une technique de pré-conditionnement bas-Mach pour traiter les zones incompressibles. Les simulations 2D et 3D ont porté sur deux géométries de type Venturi caractérisées par la présence d’une poche de cavitation instationnaire due à l’existence d’un jet rentrant liquide/vapeur le long de la paroi. Elles montrent que l’ensemble des modèles sont capables de capturer le jet rentrant. En revanche, la dynamique de la poche varie entre les modèles et le manque de données expérimentales ne permet pas de discriminer les modèles entre eux. Il apparaît à la vue des résultats que les approches avec la correction de Reboud ou les modèles SAS améliorent la simulation des écoulements

Modeling and simulation of compressible turbulence in two-phase : application to the cavitating unsteady flow

La simulation des écoulements cavitants est confrontée à des difficultés de modélisation et de résolution numérique provenant des caractéristiques particulières de ces écoulements : changement de phase, gradient de masse volumique important, variation du nombre de Mach, turbulence diphasique, instationnarités. Dans cette thèse, nous nous sommes appliqués à dériver proprement le modèle de mélange homogène 1-fluide couplé à une modélisation RANS de la turbulence. A partir des termes contenus dans ces équations et de la nature des écoulements cavitants étudiés, plusieurs modèles de turbulence basés sur la notion de viscosité turbulente ont été testés : modèles faiblement non-linéaires (corrections SST et de réalisabilité), ajout des termes de turbulence compressible, application de la correction de Reboud, modèles hybrides RANS/LES (DES, SAS). Ces modèles ont été incorporés dans un code compressible qui fait appel à une résolution implicite en pas de temps dual des équations de conservation avec une technique de pré-conditionnement bas-Mach pour traiter les zones incompressibles. Les simulations 2D et 3D ont porté sur deux géométries de type Venturi caractérisées par la présence d’une poche de cavitation instationnaire due à l’existence d’un jet rentrant liquide/vapeur le long de la paroi. Elles montrent que l’ensemble des modèles sont capables de capturer le jet rentrant. En revanche, la dynamique de la poche varie entre les modèles et le manque de données expérimentales ne permet pas de discriminer les modèles entre eux. Il apparaît à la vue des résultats que les approches avec la correction de Reboud ou les modèles SAS améliorent la simulation des écoulements.The computation of cavitating flows is a challenging issue due to the characteristics of these flows : phase transition, large density gradient, Mach number variation, interaction between phases and turbulent flow, unsteadiness. In the present study, we performed a derivation of the one-fluid compressible homogenous model coupled with a RANS approach for the turbulent flow. From these equations and the nature of the cavitating flows, several models based on the eddy viscosity assumption have been tested : weakly non-linear models (SST and realisability corrections), compressible turbulence models, hybrid RANS/LES turbulence models (SAS, DES) and the Reboud correction. All the models are implemented in a compressible code, which solves the equations using an implicit dual-time stepping method coupling with a pre-conditionning technique for the incompressible area. 2D and 3D computations are performed on two Venturi geometries characterized by an unsteady cavitation sheet with a liquid/vapor re-entrant jet. All the models are able to capture the re-entrant jet. Nevertheless, the dynamic behaviour differs from one model to another and the lack of experimental data prevents to discriminate the models between them. From the results, the computations with the SAS model and the Reboud correction improve the prediction of the flow