Cavitation Control using Mesoscale Surface Structuring in Marine Engineering and Hydraulic Systems

Abstract

We propose a passive cavitation control method to mitigate undesirable effects, such as structural vibration in the context of marine engineering and hydraulic systems. For this aim, we used different mesoscale surface structures, such as scalloped and sawtooth riblet structures, finned and roughness structures to control the cavitating flow around circular cylinders, and hydrofoils. We performed extensive experiments to investigate the effects of wall roughness and riblet structures on the dynamics of cavitation, cavitation instability and turbulence structures in the cross flow around and in the wake of a circular cylinder, and a hydrofoil at different cavitating regimes and various Reynolds numbers. We used high-speed cameras to visualize the cavitation structure and a Particle Image Velocimetry (PIV) method to measure the velocity fields. In addition, we measured the forces acting on the smooth cylinder and on the cylinders with different mesoscale surface structures, and we also performed an acoustic measurement, using a hydrophone located downstream of the cylinders. Finally, we numerically studied the dynamics of the cavitation flow around a benchmark hydrofoil with and without passive control methods and compared our numerical results with our experimental data. Our results showed that the mesoscale surface structures were very efficient in suppressing or mitigating cavitation. The cavitation-induced vibration exciting forces acting on the cylinders and hydrofoils with riblet structures were significantly reduced compared to the cases without cavitation control. Furthermore, a substantial reduction in the cavitation volume and the sound pressure level in the low- and middle-frequency ranges were observed for the hydrofoils with riblet structures. The large-scale cloud cavity on the hydrofoil with scalloped and sawtooth riblets was changed to a small-scale cavity, which modified the cavitation dynamics on the hydrofoil surface and controlled unsteady cloud cavitation. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden Methoden zur passiven Kavitationskontrolle entwi- ckelt, mit dem Ziel, unerwünschte Effekte wie Schwingungen im Zusammenhang mit schiffs- technischen Strukturen und hydraulischen Systemen zu verringern oder zu vermeiden. Zu diesem Zweck wurden verschiedene mesoskalige Oberflächenstrukturen wie Riblet- Strukturen, Rippen- und Rauheitsstrukturen verwendet, um die kavitierende Strömung um kreisförmige Zylinder und Tragflächen zu kontrollieren. Es wurden umfangreiche Experimen- te durchgeführt, um die Auswirkungen von Wandrauhigkeit und Riblet-Strukturen auf die Ka- vitationsdynamik, die Kavitationsinstabilität und die Turbulenzstrukturen in der Querströmung um und im Nachlauf eines Kreiszylinders und eines Tragflügels bei verschiedenen Kavitationsregimen und unterschiedlichen Reynoldszahlen zu untersuchen. Es wurden Hochgeschwindigkeitskameras zur Visualisierung der Kavitationsstruktur und eine Particle Image Velocimetry (PIV) Methode zur Messung der Geschwindigkeitsfelder eingesetzt. Darüber hinaus wurden die Kräfte gemessen, die auf den glatten Zylinder und auf die Zylinder mit unterschiedlichen mesoskaligen Oberflächenstrukturen wirken. Weiterhin wurden der Unterwasserschall mit einem Hydrophon gemessen. Schließlich wurde die Dynamik der kavitierenden Strömung um einen Tragflügel mit und ohne passive Kavitationskontrolle numerisch untersucht. Die numerischen Ergebnisse wurden mit den experimentellen Daten verglichen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die mesoskaligen Oberflächenstrukturen die Kavitation sehr effizient unterdrücken oder abschwächen. Die kavitationsbedingten Schwingungserregerkräf- te, die auf die Zylinder und Tragflügel mit Riblet-Strukturen wirken, wurden im Vergleich zu den Fällen ohne Kavitationskontrolle deutlich reduziert. Darüber hinaus wurde bei den Trag- flügeln mit Riblet-Strukturen eine erhebliche Verringerung des Kavitationsvolumens und des Schalldruckpegels im niedrigen und mittleren Frequenzbereich festgestellt. Die großflächigen Kavitationswolken konnten durch die Kavitationskontrolle gebrochen werden, wodurch die Kavitationsdynamik auf der Tragflügeloberfläche verändert und die instationäre Wolkenkavi- tation kontrolliert wurde.