Numerical simulation and investigation of high-speed dynamics of micro-bubbles in a liquid based on numerical modeling of multi-phase and multi-material compressible flows
Final Report Abstract
Ein umfassendes Verständnis über das Kollapsverhalten von Mikroblasen ist von essentieller Wichtigkeit für die Kontrolle von Kavitation und der damit einhergehenden Oberflächenerosion in vielen technischen Anwendungen. Ziel dieses Projekts war es eine numerische Methode zur Verfügung zu stellen, die es ermöglicht, das Kollapsverhalten von generischen Blasenkonfigurationen zu untersuchen. Dabei soll sowohl die Verformung des Interfaces zwischen Blase und umgebendem Medium akkurat wiedergegeben werden, als auch ein detaillierter Einblick in die Strömungsgrößen der beteiligten Fluide jederzeit möglich sein. Hierzu wurde aufbauend auf dem konservativen Mehrphasenmodell von Hu et al. [2006] ein dreidimensionaler Ansatz entwickelt, der auf beliebigen Kartesischen Rechengittern angewendet werden kann. Ein scharfes Interface zwischen zwei Fluiden wird mittels eines Level-Set-Ansatzes beschrieben. Für beide Phasen werden kompressible Effekte berücksichtigt, da Stöße vor allem in der Endphase eines Blasenkollaps von großer Bedeutung sind. Je nach Einfluss von Viskosität ist eine Beschreibung der Fluide mittels Navier-Stokes oder Euler Gleichungen möglich. Die Diskretisierung erfolgt mittels eines Standard-Finite-Volumen-Verfahrens, das nur für Zellen, die vom Interface geschnitten werden, modifiziert wird. Interaktionen zwischen den beteiligten Fluiden finden nur direkt am Interface statt und werden in einem konservativen Interface-Interaktionsterm berücksichtigt. Während das Ausgangsmodell nur Impuls- und Energieaustausch aufgrund von Druckänderungen beschreibt, wurden im Rahmen dieses Projekts auch Interaktionen infolge von Reibung und Phasenwechsel berücksichtigt. Somit kann es auch zu einem Massenstrom aufgrund von Kondensation oder Verdampfung über das Interface hinweg kommen. Da die charakteristischen Zeitskalen eines Blasenkollaps sehr klein sind, müssen dabei Nichtgleichgewichtseffekte berücksichtigt werden. In kavitierenden Strömungen treten oftmals Blasen sehr unterschiedlicher Größe auf. Daher beinhaltet das entwickelte Modell zusätzlich auch einen Ansatz zur Beschreibung von Dampfanteilen in Wasser. Ein erstes Anwendungsgebiet für das entwickelte konservative Mehrphasenmodell ist die Untersuchung von Interaktionen beim Kollaps benachbarter Kavitationsblasen. Hierzu wurde der stoßwelleninduzierte Kollaps eines Luftblasenfeldes untersucht. Besondere Beachtung lag dabei auf den Maximaldrücken. Der generelle Trend zeigt einen Druckanstieg für aufeinander folgende Blasenkollapse. Allerdings wurde bei einer Erhöhung der Blasenanzahl deutlich, dass dieser Anstieg nicht monoton verläuft. Eine Parameterstudie über den Blasenabstand in horizontalen Feldern zeigte, dass ein kleiner Abstand in der Regel aber nicht notwendigerweise zu höheren Kollapsdrücken führt. Ausnahmen vom generellen Trend treten aufgrund der komplexen Interaktionen von Stoß- und Expansionswellen auf und verdeutlichen die Notwendigkeit, modernste numerischer Methoden zu verwenden. Eine Variation der Randbedingungen illustrierte die Bedeutung großer Testquerschnitte bei experimentellen Untersuchungen. Die experimentell beobachtete zusätzliche Kavitation im Wasser während des Kollaps des Blasenfeldes, konnte anhand von Dampfanteilen im Wasser reproduziert werden. In kavitierenden Strömungen ist der wandnahe Dampfblasenkollaps von hohem praktischen Interesse, da die auftretenden hohen Drücke zu Erosion führen können. Der implementierte Nichtgleichgewichtsansatz für Phasenwechsel in Wasser erlaubt die Beschreibung des unterschiedlichen Kollapsverhaltens von wandabgelösten und wandanliegenden Dampfblasen. Es konnte gezeigt werden, dass der maximale Wanddruck stark von der Symmetrie der Kollapsmechanismen abhängt. Bereiche mit „High-speed dynamics of micro-bubbles“ einer hohen Wahrscheinlichkeit zum Blasenrebound wurden identifiziert. Asymmetrische wandanliegende Blasen führen zu signifikant unterschiedlichen Topologieänderungen, aber zu vergleichbar hohen Maximaldrücken an der Wand.
Publications
- Cavitating flow simulation with a sharp-interface model. Proc. 7th International Conference on Multiphase Flow, Tampa, FL, USA, 2010
E. Lauer, X. Y. Hu, S. Hickel und N. A. Adams
- Conservative sharp-interface modeling including phase-change. Vortrag EuroMech Fluid Mechanics Conference, Bad Reichenhall, Deutschland, 2010
E. Lauer, X. Y. Hu, S. Hickel und N. A. Adams
- Numerical investigation of cavitation bubble dynamics near walls. Proc. WIMRC 3rd International Cavitation Forum, Warwick, UK, 2011
E. Lauer, X. Y. Hu, S. Hickel und N. A. Adams
- Numerical investigation of cavitation bubble dynamics near walls. In Shock Waves, Editor: K. Kontis, Springer, Heidelberg, 2012
E. Lauer, X. Y. Hu, S. Hickel und N. A. Adams
- Numerical investigation of collapsing cavity arrays. Phys. Fluids, 24: 052104, 2012
E. Lauer, X. Y. Hu, S. Hickel und N. A. Adams
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4719142) - Numerical modelling and investigation of symmetric and asymmetric cavitation bubble dynamics. Comp. Fluids. (2012) 69: 1-19
E. Lauer, X. Y. Hu, S. Hickel und N. A. Adams
(See online at https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2012.07.020)
