非定常キャビテーション流れの数値シミュレーション手法の開発

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14550138
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 井小萩 利明 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90091652)
• 研究分担者: 中森 一郎 東北大学, 流体科学研究所, 助手 (20280886)
• キーワード: キャビテーション / 相変化 / 数値シミュレーション / 翼 / ターボポンプ

研究概要

本年度の研究では、一流路毎および三流路毎に周期境界条件を課した平板翼列計算格子系において高速気液二相流の数値計算を行った。一枚周期翼列における計算では、リエントラントジェットにより引き起こされる水激現象、および圧力波の伝播により引き起こされるキャビティ界面不安定の、二種類のメカニズムによりシートキャビティブレークオフ現象が引き起こされることを数値的に明らかにした。三枚周期翼列における計算では、広範囲におよぶ流量およびキャビテーション係数に対する時系列計算により、そこに発生するキャビテーション不安定現象のポンプ性能に及ぼす影響を系統的に解析した。具体的には、三枚周期平板翼列翼に発生する旋回キャビテーション、旋回失速キャビテーション、およびキャビテーションサージの、代表的な三種のキャビテーション不安定現象を一つの計算コードにより数値的に再現した。また、キャビテーションサージが発生する際の流れ場の振動特性を予測した。さらに、得られた性能曲線より、キャビテーション不安定現象の発生領域を予測した。
一方、本研究で提案している気液二相流れの局所均質媒体モデルを基に、気液相間の蒸発・凝縮現象に対する相変化モデルを組み込んだ計算コードを完成させ、翼形まわりの三次元非定常キャビテーション流れのシミュレーションを行った。その結果、水槽試験で観察されるシートキャビティの崩壊に伴って生ずるU字型のクラウドキャビティの大規模な三次元渦構造を再現できることを確認するとともに、このような特異な渦構造は水槽側壁の影響によるものであることを側壁が有る場合と無い場合の結果の対比から明らかにした。
さらに、一般的な空気-水-蒸気系のキャビテーション流れ解析に拡張を試み、その基礎式の定式化を完了した。次年度に、その妥当性の検証を行い、より現実的なシミュレーション手法を開発する予定である。

研究成果

• [文献書誌] 中森一郎, 井小萩利明: "圧縮性気液媒体モデルを用いた気液界面捕獲スキームの一考察"第52回理論応用力学講演会論文集. 351-352 (2003)
• [文献書誌] 浜口勝洋, 申炳録, 井小萩利明: "二次元流路における流体過度現象に関する数値解析"日本機械学会論文集(B編). 69(679). 25-32 (2003)
• [文献書誌] B.R.Shin, Y.Iwata, T.Ikohagi: "Numerical simulation of unsteady cavitating flows using a homogenous equilibrium model"Computational Mechanics. 30. 388-395 (2003)
• [文献書誌] Y.Iga, M.Nohmi, A.Goto, B.R.Shin, T.Ikohagi: "Numerical Study of Sheet Cavitation Break-off Phenomenon on a Cascade Hydrofoil"Journal of Fluids Engineering, Trans.ASME. 125(4). 643-651 (2003)
• [文献書誌] M.Nohmi, A.Goto, Y.Iga, T.Ikohagi: "Experimental and Numerical Study of Cavitation Breakdown in a Centrifugal Pump"Proc.Joint ASME-JSME Fluids Engineering Summer Conference, FEDSM2003-45409 in CD-ROM, Honolulu, Hawaii. (2003)
• [文献書誌] M.Nohmi, A.Goto, Y.Iga, T.Ikohagi: "Cavitation CFD in a Centrifugal Pump"Proc.Fifth International Symposium on Cavitation, Cav03-OS-4-010 in CD-ROM, Osaka, JAPAN. (2003)
• [文献書誌] 能見基彦, 後藤彰, 伊賀由佳, 井小萩利明: "遠心ポンプのキャビテーション流れの解析"日本機械学会流体工学部門講演会,CD-ROM版講演論文集、大阪. 03-16(511). (2003)
• [文献書誌] 能見基彦, 後藤彰, 伊賀由佳, 井小萩利明, 江口崇, 古川明徳: "遠心ポンプキャビテーションの詳細計測とCFD"第12回キャビテーションに関するシンポジウム、福岡. (講演予定). (2004)
• [文献書誌] V.A.Truong, J.Higuchi, M.Shintani, T.Ikohagi: "Visualization and Impulsive Pressure Measurement of Cavitation in Axisymmetric Groove with Deflector Structures"Proc.12^<th> Symposium on Cavitation, Fukuoka. (講演予定). (2004)
• [文献書誌] V.A.Truong, J.Higuchi, M.Shintani, T.Ikohagi: "Experimental Investigation of Cavitation in an Axisymmetric Rectangular Groove"JSME Int.J., Series B. 47(1). 57-66 (2004)
• [文献書誌] Y.Iga, M.Nohmi, A.Goto, T.Ikohagi: "Numerical Analysis of Cavitation Instabilities Arising in The Three-Blade Cascade"Journal of Fluids Engineering, Trans.ASME. 126(掲載予定). (2004)