MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798342714358
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31560049
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a530
■1001  ▼aMadabhushi,  Aditya.
■24510▼aCavitation  Inception  Mechanisms  During  Vortex  Pair  Interactions  and  Development  of  a  Compressible  Hybrid  Model
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Minnesota▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a139  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-05,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Mahesh,  Krishnan.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Minnesota,  2024.
■520    ▼aThe  first  part  of  this  dissertation  focuses  on  the  interaction  between  a  pair  of  counterrotating  vortices  and  the  subsequent  changes  in  the  core  pressure  in  (a)  a  canonical  setting  (axially  periodic  configuration)  and  (b)  an  experimental  configuration  (trailing  vortices  in  the  wake  of  a  hydrofoil  pair).  In  the  second  part,  we  present  a  compressible  multi-scale  model  that  captures  cavitating  structures  over  a  wide  range  of  length  scales  (both  resolved  and  sub-grid)  and  also  accounts  for  their  mutual  interactions.First,  we  examine  the  interaction  between  a  pair  of  unequal  strength  counter-rotating  vortices  in  an  axially  periodic  configuration  using  Direct  Numerical  Simulation  (DNS)  at  Reynolds  number  (ReΓ,  Γ  -  circulation  strength)  of  20000.  Long-wavelength  perturbations,  representative  of  the  Crow  instability,  are  initially  prescribed  on  the  vortex  filaments.  In  the  linear  regime,  the  two-dimensional  core  deformation  due  to  mutual  strain  causes  the  numerical  perturbation  growth  rates  to  differ  from  the  analytical  estimates.  The  non-linear  regime  is  categorized  into  three  phases.  In  the  initial  phase  (Phase  A),  the  axial  stretching  due  to  the  growth  of  Crow  instability  causes  the  secondary  core's  pressure  to  reduce  significantly  and  bring  it  closer  to  the  primary  core.  The  strong  mutual  strain  due  to  the  proximity  of  both  cores  results  in  the  formation  of  a  vortex  sheet  pair.  In  Phase  B,  these  sheets  undergo  Kelvin-Helmholtz  (KH)  instability,  resulting  in  vortex  roll-up  and  the  formation  of  a  dipole  with  much  smaller  cores.  Note  that  the  transition  to  vortex  sheets  followed  by  the  KH  instability  is  a  cyclic  process.  During  the  initial  roll-up  process,  a  sudden  drop  in  the  secondary  core's  pressure  occurs,  resulting  in  lower  core  pressure  than  that  in  Phase  A.  However,  the  strong  viscous  effects  due  to  the  close  proximity  of  the  cores  result  in  a  substantial  loss  of  circulation  strength  of  both  cores  over  time  and  hence  the  secondary  core  pressure  increases  with  time.  Finally,  the  weaker  secondary  vortex  transitions  into  a  vortex  ring  that  advects  away  from  the  stronger  vortex  due  to  self-induction  in  Phase  C.  During  this  phase,  the  core  pressure  in  both  cores  remains  relatively  higher  due  to  the  lower  circulation  strength.Next,  we  use  Large-Eddy  Simulation  (LES)  to  study  the  inception  mechanism  during  the  interaction  between  a  pair  of  counter-rotating  vortices  in  the  wake  of  hydrofoils  at  Reynolds  number,  Re  =  1.7x106.  The  near  wake  measurements  (up  to  x/c  =  1.0)  reveal  decaying  mean  vorticity  and  velocity  in  both  the  cores  due  to  the  shear  layer  present  between  them.  This  causes  the  core  pressure  to  rise,  counter  to  the  desired  impact  for  inception.  Beyond  x/c  =  1.0,  the  three-dimensional  (3D)  Crow  instability  develops  on  the  weaker  core  periodically,  causing  it  to  stretch  and  wrap  around  the  stronger  core.  Intermittent  events  of  Cp    Cpv  (Cp  -  pressure,  Cpv  -  saturated  vapor  pressure)  primarily  occur  in  the  weaker  vortex  within  1.1  −  1.5  chord  lengths  downstream  of  the  trailing  edge.  The  temporal  evolution  of  the  weaker  vortex  over  one  Crow  cycle  shows  that  the  peak  axial  stretching  occurs  in  the  initial  stages,  prior  to  the  instance  of  lowest  core  pressure.  The  mean  axial  stretching  (spatially  averaged  over  one  Crow  wavelength)  displays  an  oscillatory  behavior  with  its  amplitude  decreasing  over  time.  Probability  density  functions  (pdfs)  of  the  core  pressure  revealed  a  small  portion  of  the  weaker  core  having  pressure  lower  than  the  saturated  vapor  pressure.  The  largest  drop  in  weaker  core  pressure  predominantly  occurs  in  the  regions  where  both  cores  are  very  close  to  each  other.  The  impact  of  axial  stretching  is  initially  local,  causing  intense  pressure  reduction  in  a  few  regions  along  the  vortex  axis.  However,  its  impact  spreads  along  the  axis  in  the  later  stages  of  the  Crow  cycle,  causing  more  regions  to  have  relatively  lower  pressure.Finally,  we  propose  a  compressible  hybrid  model  that  (i)  captures  the  dynamics  of  both  large  vapor  cavities  (resolved  vapor)  and  micro-bubbles  (unresolved  vapor),  and  (ii)  accounts  for  medium  compressibility.  The  vapor  mass,  momentum  and  energy  in  the  compressible  homogeneous  mixture  equations  are  explicitly  decomposed  into  constituent  resolved  and  unresolved  components  enabling  their  independent  treatment.  The  homogeneous  mixture  of  liquid  and  resolved  vapor  is  tracked  as  a  continuum  in  an  Eulerian  sense.  The  unresolved  vapor  terms  are  expressed  in  terms  of  subgrid  bubble  velocities  and  radii  that  are  tracked  in  a  Lagrangian  sense  using  a  novel  'kR-RP  equation'.  The  kR-RP  equation  is  formally  derived  in  terms  of  the  pressure  at  a  finite  distance  (kR)  from  the  bubble  while  accounting  for  the  effects  of  neighboring  bubbles.  p(kR)  may,  therefore,  be  either  a  near-field  or  far-field  pressure.  The  equation  exactly  recovers  the  classical  RP  ad  Keller-Miksis  equations  in  the  limits  that  k  and  c  become  very  large.  Also,  the  results  are  independent  of  k  for  a  single  bubble  for  all  k,  and  for  multiple  bubbles  when  kR    d  (where  d  denotes  separation  distance).  Numerical  results  show  this  robustness  of  the  model  to  the  choice  of  k,  which  can  be  different  for  each  bubble.  The  hybrid  model  is  validated  for  the  collapse  of  a  single  resolved/unresolved  bubble.  Its  ability  to  capture  inter-bubble  interactions  is  demonstrated  for  multiple  bubbles  exposed  to  an  acoustic  pulse.  The  model  is  then  applied  to  a  problem  where  resolved  and  unresolved  bubbles  co-exist.  Finally,  it  is  validated  using  a  cluster  of  1200  bubbles  exposed  to  a  strong  acoustic  pulse.  The  results  show  the  impact  of  the  bubble  cluster  on  the  transmitted  and  reflected  waves  and  the  shielding  effect,  where  bubbles  at  the  edge  of  the  cluster  shield  the  interior  bubbles  by  dampening  the  incident  acoustic  wave.
■590    ▼aSchool  code:  0130.
■650  4▼aComputational  physics
■650  4▼aMathematics
■653    ▼aCavitation
■653    ▼aCrow  instability
■653    ▼aMulti-scale  model
■653    ▼aVortex  interaction
■690    ▼a0216
■690    ▼a0405
■71020▼aUniversity  of  Minnesota▼bAerospace  Engineering  and  Mechanics.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-05B.
■790    ▼a0130
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17164051▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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