Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire de machines hydrauliques LMH)

Physical modelling of leading edge cavitation : computational methodologies and application to hydraulic machinery

Aït Bouziad, Youcef ; Avellan, François (Dir.) ; Farhat, Mohamed (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3353.

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    Summary
    Cavitation is usually the main physical phenomenon behind performance alterations in hydraulic machinery. For this reason, it is crucial to accurately predict its inception and development and to highlight a comprehensive relation between the cavitation development and the performances drop associated. The common cavitation models, based on numerical flow simulations, are intended to reproduce the general cavitation behavior, and their major focus is the cavitation onset and developed cavity shape prediction. In the present study, various methods in cavitation modelling are investigated. Specific computational methods are outlined for the two sensitive zones of cavity detachment and closure. Finally, an industrial case is investigated in order to highlight the mechanisms of head drop phenomenon in hydraulic machines. Current modelling techniques are reviewed together with physical arguments concerning the cavitation phenomenon, and a 2D hydrofoil test case is used to evaluate the models. A mono-fluid interface tracking model, a multiphase state-equation based model, and a multiphase transport-equation based model are discussed in terms of reproducing the cavitation flow characteristics as the cavitation inception, development, pressure distribution and velocity profiles in cavitation regimes. An innovative approach based on the local stress formulation is proposed. The non-viscous anisotropic stress is taken into account through the maximum tensile stress criterion for cavitation inception instead of the classical pressure threshold. The maximum tensile stress criterion, formulated using the shear strain rate formulation is used for CFD computations. The method is evaluated with the case of a parabolic nose leading edge flow with comparison to the boundary layer computations. The developed model is tested in the case of a 2D hydrofoil in both smooth and rough walls under different flow conditions. The ability of the model to take into account Reynolds and surface roughness effects, as observed in experimental investigations, is demonstrated. A comparative study of turbulence modelling for unsteady cavitation is presented which indicates a strong correlation between the cavitation unsteadiness predictions and the turbulence modelling. The adapted techniques in reproducing the unsteady cavitation flow are found to be either using an accurate filtering turbulence model to correctly capture the large eddies, or to modify the turbulent viscosity function, and thereby introducing an artificial compressibility effect. The simulated leading edge cavitation instability, in our case, occurs at a certain cavity length where the cavity closure corresponds to the high pressure gradient region and is governed mainly by the occurrence of the reentrant jet at the cavity closure. This phenomenon is found to be periodic and the shedding frequencies matches to the Strouhal law as observed in experiments. Finally, the multiphase mixture model is used in the case of an industrial inducer. The model provides satisfactory results for the prediction of the cavitation flow behavior and performance drop estimation for the operating points studied. An analysis based on global energy balance and local flow analysis demonstrates that the head drop is mainly caused by the lower torque generation and the hydraulic losses induced by the secondary flows. These phenomena occur when the cavity extends towards the throat region, leading to important changes in the flow structure.
    Résumé
    La cavitation est l'un des phénomènes physiques les plus contraignants en ce qui concerne les performances des machines hydrauliques. A cet effet, il est primordial de savoir prédire son apparition, son développement ainsi que de fixer un seuil des pertes de performances qui lui sont associées. Les modèles de prédiction, basés sur des simulations numériques, sont généralement dédiés à la reproduction des propriétés globales de l'écoulement résultant, l'intérêt étant de prédire l'apparition et le développement de la cavité. Dans la présente étude, différents modèles sont évalués et des méthodes adaptées aux zones de détachement et de fermeture de la cavité sont proposées. Un cas concret industriel est étudié afin d'analyser, en régime de cavitation, les mécanismes à l'origine de la chute des performances dans les machines hydrauliques. Différents modèles de simulation des écoulements en régime de cavitation sont évalués dans le cas d'un profil hydraulique bidimensionnel. Un modèle monophasique à suivi d'interface, un modèle multiphasique à équation d'état, ainsi qu'un modèle multiphasique à équation de transport sont comparés en terme de prédiction du coefficient d'apparition de la cavitation, de son développement, de la distribution de pression correspondante sur le profil, ainsi que du champ de vitesse de l'écoulement résultant. Une approche originale basée sur une formulation des contraintes locales est introduite. Le seuil classique d'apparition de la cavitation, basé sur la pression statique, est corrigé par la composante non isotrope des contraintes de cisaillement, composante prise en compte par le concept de la contrainte maximale de traction. Cette dernière, formulée en terme de taux des contraintes de cisaillement, est introduite dans les calculs CFD et validée par des calculs de couche limite sur une géométrie de type parabolique. Cette approche, testée dans le cas d'un profil hydraulique, s'avère prometteuse par la prise en compte des effets de Reynolds et des effets de rugosité de surface, tels qu'observés expérimentalement. Le modèle multiphasique à équation de transport est testé dans le cas d'un régime de cavitation instationnaire caractérisé par une instabilité de type jet rentrant conduisant à des lâchers cycliques de cavités transitoires. Une comparaison entre différents modèles de turbulence démontre que les modèles classiques à 2 équations ne parviennent pas à reproduire ce phénomène. L'utilisation de modèles plus adaptés tels que des modèles de type LES, ou par la modification de la viscosité effective du mélange liquide-vapeur conduisent à la prédiction de lâchers de cavités en régime instationnaire. Les fréquences de lâchers sont validées expérimentalement démontrant que le phénomène modélisé obéit à la loi de Strouhal. Finalement, le modèle est utilisé dans le cas d'un inducteur en régime de cavitation. Les résultats obtenus concernant la topologie de la poche de cavitation et des pertes des performances concordent avec les résultats expérimentaux. Une analyse des transferts énergétiques dans la machine ainsi qu'une analyse de l'effet de la cavitation sur l'écoulement global mettent en évidence l'origine des pertes. Ces pertes sont principalement dues à la réduction du couple fourni et aux pertes additives induites par la désorganisation de l'écoulement due à la présence de la poche. Ces deux phénomènes sont observés successivement lorsque la cavitation de bord d'attaque atteint le niveau du col de la machine introduisant des changements importants dans la structure de l'écoulement.