Validation of a CFD simulation of a cavitating hydrofoil with a cryogenic fluid

Cavitation is a complex phenomenon present in many flows of engi- neering interest. It represents both a risk (e.g. efficiency losses in turbomachinery) and an opportunity to exploit (e.g. improved fuel injection). Cavitation is a challenging process to study both experimentally and numerically: it requires advanced instrumentation for the former, while still much empiricism is involved in the models for the latter. This makes the validation of numerical results through experiments compulsory. In the present work, a brief theoretical introduction is faced. The Schnerr-Sauer method will be used in the VoF framework to deal with multiphase cavitating flow. No thermal effects will be considered. The object is to perform CFD simulations of the experiment performed by Hord on an hydrofoil immersed in a nitrogen cavitating flow. The numerical simulation activity has been set up as follows. First, a non cavitating single phase flow is considered as a validation case. Then, a 2D cavitating flow is simulated: since using a compressible setup has been found to trigger numerical instabilities when CFL is decreased, incompressible fluid properties in saturation conditions are employed. Results are then compared with the experiments and other numerical studies. Inertial controlled cavitation model have been found to underestimate the length of the cavity. Finally,3D simulations are carried on considering also a corrective parameter to decrease eddy viscosity inside the cavity in order retrieve possible unsteady effects. Cavity length from 3D computation are found to predict correctly the cavity length and provide better result than 2D for the experiment in exam.

La cavitazione è un fenomeno complesso presente in molte correnti di interesse ingegneristico. Può rappresentare sia un rischio (es: Perdita di efficienza di una turbomacchina) sia un’opportunità (es: migliore atomizzazione degli iniettori di carburante). Si tratta di un processo difficile da studiare sia sperimentalmente che numericamente: infatti è richiesta stru- mentazione molto avanzata e i modelli matematici sono comunque empirici. Ciò rende la validazione di qualsiasi risultato nuerico obbligatorio tramite esperimenti. In questo report, viene fatta una rapida introduzione teorica. Verrà usato il metodo di Schnerr-Sauer assieme alla tecnica VoF per risolvere il problema della cavitazione. Gli effetti termici non saranno considerati. L’obiettivo è svolgere simulazioni CFD di un esperimento eseguito da Hord su di un profile investito da una corrente di azoto liquid. L’attività è stata organizzata come segue. Prima è stato considerata una corrente che non cavita mono fase per validare la configurazione. Poi è stato simulata una corrente 2D in cui avviene la cavitazione. È stato scoperto che usare una corrente comprimibile dà luogo ad instabilità numeriche se il CFL viene diminuito troppo. Pertanto sono state scelte proprietà dei fuidi incomprimibili. i risultati sono stati confrontati con gli esperimenti ed altri studi numerici: non tenendo conto degli effetti termici nella fisica della cavitazione, l’estensione della cavità viene sottostimata nella simulazione. Infine vengono svolte delle simulazioni 3D tenendo conto di una correzione alla viscosità turbolenta all’interno della cavità in modo da poter tener conto di eventuali effetti instazionari. I risultati ottenuti risultano più aderenti agli esperimenti rispetto a quelli delle simulazioni in 3d, inoltre riescono a calcolare correttamente la lunghezza della cavità