Параметрический RANS расчёт кавитационного течения в канале клетки регулирующего клапана

Параметрический RANS расчёт кавитационного течения в канале клетки регулирующего клапана

Иващенко Е. И., Иващенко В. А., Плохих И. А., Марданов А. P., Мелемчук И. А., Пименов Н. К., Мулляджанов Р. И.
Сибирский журнал индустриальной математики, 26, 1(93), 74-84 (2023)
Скачать статью

УДК 532.542.1 
DOI: 10.33048/SIBJIM.2023.26.107

Аннотация:

Исследовано кавитационное течение в канале, который является прототипом клетки регулирующего клапана. Средние поля скорости, давления и коэффициента паросодержания, полученные методом RANS в открытом вычислительном пакете OpenFOAM, хорошо совпадают с данными, полученными в закрытом пакете Ansys Fluent. Реализован компьютерный код, который позволил получить большое количество конфигураций геометрии клетки регулирующего клапана, для которых были проведены RANS расчёты с целью формирования обширной базы данных.

Литература:
  1. Charlton M. Cost effective manufacturing and optimal design of $X$-stream trims for severe service control valves: Thes... dokt. math. Univ. Huddersfield, 2014. 
     
  2. Wedzinga N. A. Design and testing of a 6 inch control valve with a multi-stage anti-cavitation trim // Student Engrg. Fluid Dynamics Univ. of Twente. Enschede, Overijssel: Twente Univ. Publ., 2015. 
     
  3. Asim T., Charlton M., Mishra R. CFD based investigations for the design of severe service control valves used in energy systems // Energy Conversion and Management. 2017. V. 153. P. 288–303. 
     
  4. Gao Z.X., Yue Y., Wu J.Y., Li J.Y., Wu H., Jin Z.J. The flow and cavitation characteristics of cage-type control valves // Engrg. Appl. Comput. Fluid Mech. 2021. V. 15, N 1. P. 951–963. 
     
  5. Сайт проекта Gmsh: https://gmsh.info 
     
  6. Schulman J., Wolski F., Dhariwal P., Radford A., Klimov O. Proximal policy optimization algorithms. arXiv. 2017.  
     
  7. Fujimoto S., van Hoof H., Meger D. Addressing function approximation error in actor-critic methods. arXiv. 2018. 
     
  8. Pope S. Turbulent Flows. Cambridge Univ. Press, 2000. 
     
  9. Arabnejad M., Amini A., Farhat M., Bensow R. Numerical and experimental investigation of shedding mechanisms from leading-edge cavitation // Internat. J. Multiphase Flow. 2019. V. 119. P. 123–143. 
     
  10. Ivashchenko E., Hrebtov M., Timoshevskiy M., Pervunin K., Mullyadzhanov R. Systematic validation study of an unsteady cavitating flow over a hydrofoil using conditional averaging: LES and PIV // J. Marine Sci. Engrg. 2021. V. 9, N 11. P. 1193. 
     
  11. Schnerr G. H., Sauer J. Physical and numerical modeling of unsteady cavitation dynamics // Proc. Fourth Internat. Conf. Multiphase Flow. V. 1. New Orleans, 2001. P. 1–12. 
     
  12. Сайт проекта OpenFOAM. https://www.openfoam.com. 
     
  13. Warming R. F., Beam R. M. Upwind second-order difference schemes and applications in aerodynamic flows // AIAA J. 1976. V. 14, N 9. P. 1241–1249. 
     
  14. Jasak H. Error Analysis and Estimation for the Finite Volume Method with Applications to Fluid Flows. London, 1996. 
     
  15. Ferziger J.H., Peri$\acute{c}$ M., Street R.L. Computational Methods for Fluid Dynamics. V. 3. Springer-Verl., 2002. P. 196–200. 
     
  16. Darwish M., Moukalled F. The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics: an Advanced Introduction with OpenFOAM and Matlab. Springer-Verl., 2021. 
     
  17. Сайт проекта Ansys Fluent: https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent 
     
  18. Rybdylova O., Al Qubeissi M., Braun M., Crua C., Manin J., Pickett L. M., De Sercey G., Sazhina E. M., Sazhin S. S., Heikal M. A model for droplet heating and its implementation into ANSYS Fluent // Internat. Comm. Heat and Mass Transfer. 2016. V. 76. P. 265–270. 
     
  19. Borkowski D., Wegiel M., Oclo$\acute{n}$ P., Wegiel T. CFD model and experimental verification of water turbine integrated with electrical generator // Energy. 2019. V. 185. P. 875–883. 
     
  20. Araghi A. H., Khiadani M., Sadafi M. H., Hooman K. A numerical model and experimental verification for analysing a new vacuum spray flash desalinator utilising low grade energy // Desalination. 2017. V. 413. P. 109–118. 
     
  21. Adhikari N., Alexeenko A. Development and verification of nonequilibrium reacting airflow modeling in ANSYS fluent // J. Thermophys. Heat Transfer. 2022. V. 36, N 1. P. 118–128. 
     
  22. Kumar A., Ghobadian A., Nouri J. Numerical simulation and experimental validation of cavitating flow in a multi-hole diesel fuel injector // Internat. J. Engine Research. 2022. V. 23. N 6. P. 958–973. 
     
  23. Long Y., Deng L. F., Zhang J. Q., Ji B., Long X. P. A new method of LES verification and validation for attached turbulent cavitating flow // J. Hydrodynamics. 2021. V. 33, N 1. P. 170–174.

Работа выполнена в рамках государственного задания ИТ СО РАН (проект 1022072300001-8-2.7.3) при поддержке молодёжного научного проекта ИТ СО РАН (проект 5.04/2022).

Е. И. Иващенко
  1. Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 
    просп. Акад. Лаврентьева, 1, г. Новосибирск 630090, Россия
  2. Новосибирский государственный университет, 
    ул. Пирогова, 1, г. Новосибирск 630090, Россия

E-mail: edauengauer@mail.ru

В. А. Иващенко
  1. Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 
    просп. Акад. Лаврентьева, 1, г. Новосибирск 630090, Россия
  2. Новосибирский государственный университет, 
    ул. Пирогова, 1, г. Новосибирск 630090, Россия
И. А. Плохих
  1. Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 
    просп. Акад. Лаврентьева, 1, г. Новосибирск 630090, Россия
  2. Новосибирский государственный университет, 
    ул. Пирогова, 1, г. Новосибирск 630090, Россия
А. P. Марданов
  1. ООО «Инженерно-производственный центр ОКАН», 
    ул. Bоздухоплавательная, 19а, г. Санкт-Петербург 196084, Россия
И. А. Мелемчук
  1. ООО «Инженерно-производственный центр ОКАН», 
    ул. Bоздухоплавательная, 19а, г. Санкт-Петербург 196084, Россия
Н. К. Пименов
  1. ООО «Инженерно-производственный центр ОКАН», 
    ул. Bоздухоплавательная, 19а, г. Санкт-Петербург 196084, Россия
Р. И. Мулляджанов
  1. Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 
    просп. Акад. Лаврентьева, 1, г. Новосибирск 630090, Россия
  2. Новосибирский государственный университет, 
    ул. Пирогова, 1, г. Новосибирск 630090, Россия

Статья поступила 21.09.2022 г.
После доработки — 21.09.2022 г.
Принята к публикации 29.09.2022 г.

Abstract:

The cavitation flow in the channel, which is the prototype of the control valve cage, has been studied. The average fields of velocity, pressure, and vapor volume fraction obtained by the RANS method by means of open source CFD software OpenFOAM are in good agreement with the data obtained in the other CFD solve — Ansys Fluent. A computer code was implemented that made it possible to obtain a large number of configurations of the geometry of the control valve cage, for which RANS calculations were carried out in order to form a comprehensive database.

References:
  1. Charlton M. Cost effective manufacturing and optimal design of $X$-stream trims for severe service control valves: Thes... dokt. math. Univ. Huddersfield, 2014. 
     
  2. Wedzinga N. A. Design and testing of a 6 inch control valve with a multi-stage anti-cavitation trim. Student Engrg. Fluid Dynamics Univ. of Twente Enschede. Overijssel: Twente Univ. Publ., 2015. 
     
  3. Asim T., Charlton M., Mishra R. CFD based investigations for the design of severe service control valves used in energy systems. Energy Conversion and Management, 2017, Vol. 153, pp. 288–303. 
     
  4. Gao Z. X., Yue Y., Wu J. Y., Li J. Y., Wu H., Jin Z. J. The flow and cavitation characteristics of cage-type control valves. Engrg. Appl. Comput. Fluid Mech., 2021, Vol. 15, No. 1, pp. 951–963. 
     
  5. Project website Gmsh: https://gmsh.info 
     
  6. Schulman J., Wolski F., Dhariwal P., Radford A., Klimov O. Proximal policy optimization algorithms. arXiv. 2017.  
     
  7. Fujimoto S., van Hoof H., Meger D. Addressing function approximation error in actor-critic methods. arXiv. 2018. 
     
  8. Pope S. Turbulent Flows. Cambridge Univ. Press, 2000. 
     
  9. Arabnejad M., Amini A., Farhat M., Bensow R. Numerical and experimental investigation of shedding mechanisms from leading-edge cavitation. Internat. J. Multiphase Flow, 2019, Vol. 119, pp. 123–143. 
     
  10. Ivashchenko E., Hrebtov M., Timoshevskiy M., Pervunin K., Mullyadzhanov R. Systematic validation study of an unsteady cavitating flow over a hydrofoil using conditional averaging: LES and PIV. J. Marine Sci. Engrg., 2021, Vol. 9, No. 11, pp. 1193. 
     
  11. Schnerr G. H., Sauer J. Physical and numerical modeling of unsteady cavitation dynamics. Proc. Fourth Internat. Conf. Multiphase Flow, Vol. 1, New Orleans, 2001. 
     
  12. Project website OpenFOAM: https://www.openfoam.com. 
     
  13. Warming R. F., Beam R. M. Upwind second-order difference schemes and applications in aerodynamic flows. AIAA J., 1976, V. 14, No. 9, pp. 1241–1249. 
     
  14. Jasak H. Error Analysis and Estimation for the Finite Volume Method with Applications to Fluid Flows. London, 1996. 
     
  15. Ferziger J. H., Peri$\acute{c}$ M., Street R. L. Computational Methods for Fluid Dynamics. V. 3. Springer-Verl., 2002. P. 196–200. 
     
  16. Darwish M., Moukalled F. The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics: an Advanced Introduction with OpenFOAM and Matlab. Springer-Verl., 2021. 
     
  17. Project website Ansys Fluent: https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent 
     
  18. Rybdylova O., Al Qubeissi M., Braun M., Crua C., Manin J., Pickett L. M., De Sercey G., Sazhina E. M., Sazhin S. S., Heikal M. A model for droplet heating and its implementation into ANSYS Fluent. Internat. Comm. Heat and Mass Transfer, 2016, Vol. 76, pp. 265–270. 
     
  19. Borkowski D., Wegiel M., Oclo$\acute{n}$ P., Wegiel T. CFD model and experimental verification of water turbine integrated with electrical generator. Energy, 2019, Vol. 185, pp. 875–883. 
     
  20. Araghi A. H., Khiadani M., Sadafi M. H., Hooman K. A numerical model and experimental verification for analysing a new vacuum spray flash desalinator utilising low grade energy. Desalination, 2017, Vol. 413, pp. 109–118. 
     
  21. Adhikari N., Alexeenko A. Development and verification of nonequilibrium reacting airflow modeling in ANSYS fluent. J. Thermophys. Heat Transfer, 2022, Vol. 36, No. 1, pp. 118–128. 
     
  22. Kumar A., Ghobadian A., Nouri J. Numerical simulation and experimental validation of cavitating flow in a multi-hole diesel fuel injector. Internat. J. Engine Research, 2022, Vol. 23, No. 6, pp. 958–973. 
     
  23. Long Y., Deng L. F., Zhang J. Q., Ji B., Long X. P. A new method of LES verification and validation for attached turbulent cavitating flow. J. Hydrodynamics, 2021, Vol. 33, No. 1, pp. 170–174.