Études des modèles de cavitation pour la simulation des écoulements cavitants stationnaires et instationnaires

La cavitation est l'un des phénomènes physiques les plus contraignants influençant les performances des machines hydrauliques. Il est donc indispensable de savoir prédire son apparition et son développement, et de quantifier les pertes de performances qui lui sont associées. L'objectif de cette étude est d'évaluer l'applicabilité des modèles de cavitation basés sur le transfert de masse et de déterminer les paramètres numériques appropriés pour la simulation CFD des écoulements cavitants turbulents. Les simulations CFD ont été réalisées pour les écoulements autour d'un profil hydraulique NACA66, pour les nombres de cavitation de 1.49 et de 1.00, qui correspondent aux deux régimes différents : la cavitation à poches attachées stationnaires (steady sheet cavitation) et la cavitation à poches attachées/nuageuses instationnaires (unsteady sheet/cloud cavitation) en utilisant les modèles de cavitation Kubota et Merkle. Les modèles Merkle et Kubota ont été implémentés dans le solveur ANSYS-CFX par un code de programmation en langage Fortran. Le modèle de cavitation Merkle a donné quelques améliorations pour les résultats de simulation CFD des écoulements cavitants turbulents pour ces cas d'études. La modélisation de la turbulence a également apporté une contribution importante à la qualité des simulations pour la prédiction des écoulements cavitants turbulents de ces cas. La relation entre la modification de la viscosité turbulente, afin de tenir compte de la compressibilité locale aux interfaces des phases liquide et vapeur, et les résultats numériques a été clarifiée. Les limites des techniques actuelles de simulation des écoulements cavitants turbulents sont abordées tout au long du document. Ce travail nous a permis de développer un outil numérique amélioré, validé sur des configurations d'écoulements cavitants complexes, afin d'améliorer la compréhension des mécanismes physiques qui contrôlent les effets instationnaires intervenants dans les mécanismes d'instabilité pour les cas de cavitation à poches attachées/nuageuses instationnaires.

Abstract

Cavitation is one of the most unfavorable physical phenomena influencing the performance of hydraulic machines. It is therefore important to predict correctly its inception and development, in order to quantify the performance drop it induces, and also to characterize the resulting flow instabilities. The objective of this study is to evaluate the applicability of mass transfer cavitation models and determine appropriate numerical parameters for turbulent cavitating flow simulations. CFD simulations were performed for a NACA66 hydrofoil at cavitation numbers of 1.49 and 1.00, corresponding to steady sheet and unsteady sheet/cloud cavitation regimes using Kubota and Merkle cavitation models. The Merkle and Kubota models were implemented into the solver ANSYS CFX by User Fortran code. The Merkle cavitation model is found to give some improvements for cavitating flow simulation results for these cases. Turbulence modeling is also found to have an important contribution to the prediction quality of the simulations. The relationship between the turbulence viscosity modification, in order to take into account the local compressibility at the vapor/liquid interfaces, and the predicted numerical results is clarified. The limitations of the current cavitating flow simulation techniques are discussed throughout the document. This work allows us to achieve an improved numerical tool, validated on complex configurations of cavitating flows, to improve the understanding of the physical mechanisms that control the unsteady effects involved in the mechanisms of instability for the unsteady sheet/cloud cavitation regimes.