Développement d’un modèle de cavitation à poche sur hydrofoils et hélices en régimes transitoires, implémentation sur codes potentiels et validation expérimentale

A transpiration velocities based sheet cavitation model

• Auteur / Autrice : Surasak Phoemsapthawee
• Direction : Jean-Marc Laurens, Jean-Baptiste Leroux, François Deniset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique des matériaux, des structures et des fluides
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : École nationale supérieure des ingénieurs des études et techniques d'armement (1971-2010)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Hélices -- Cavitation

Mots clés libres

Cavitation à poche partielle

Hélice

Hydrofoil

Effort hydrodynamique

Régime transitoire

Résumé

Un modèle de cavitation à poche partielle a été développé et implémenté dans un code potentiel 2D stationnaire puis dans un code potentiel 3D instationnaire. L’originalité de la méthode est d’utiliser la technique des vitesses de transpiration pour simuler la présence de la poche de cavitation. Cette méthode permet une fermeture naturelle de la poche sans avoir à imposer un quelconque artifice dans le modèle ou dans la méthode de calcul. Adaptable à tout solveur de modèle d’écoulement, le modèle couplé aux codes potentiels permet, grâce à cette technique, une simulation raisonnablement rapide de l’écoulement cavitant sur un hydrofoil ou une hélice en régime d’écoulement stationnaire ou instationnaire. Le modèle a été validé par comparaison avec des essais en régime stationnaire sur un profil 2D. On retrouve numériquement les longueurs de poche observées lors des essais ainsi que les pressions mesurées. Quant à l’écoulement 3D, des résultats disponibles dans la littérature n’ont permis que la validation qualitative au niveau de la longueur de poche. Une campagne d’essais en collaboration avec le BSHC pour mesurer la portance et la traînée d’un hydrofoil a alors été effectuée avec pour objectif la validation 3D quantitative. Les résultats obtenus montrent une bonne concordance entre les mesures expérimentales et les résultats numériques, ce qui permet de conclure de façon satisfaisante quant à la validation du modèle. Finalement, des résultats de simulations instationnaires sur des hélices en régime cavitant sont présentés. Les résultats numériques montrent que la cavitation à poche partielle affecte très peu les performances hydrodynamiques de l’hélice.

A partial sheet cavitation model has been developed and implemented in a steady two-dimensional potential flow code and in an unsteady three-dimensional potential flow code. This cavitation model uses the transpiration velocity technique to simulate the presence of the sheet cavitation. Neither an additional cavity closure model nor empirical parameters are required. Adaptable to every flow solver, the model allows a reasonably rapid simulation both in steady- and unsteady-state flow conditions for a hydrofoil or a propeller. The model is validated by comparing its results with experimental data in steadystate flow condition of a two dimensional hydrofoil. The numerical results agree very well with the observed cavity lengths and the measured pressure distribution. As for the threedimensional flow case, the available data in the literature allowed only the qualitative validation on the cavity length. A series of experiments in cooperation with the Bulgarian Ship Hydrodynamic Centre (BSHC) to measure the lift and drag of a hydrofoil has been then conducted for the quantitative validation of the cavitation model. The comparison results show good agreement between the experimental measurements and the numerical simulations. Finally, the cavitating propellers simulations in unsteady-state flow condition are also presented. It is shown that the partial sheet cavitation has little effect on the propeller hydrodynamic performances.