Numerical Modelling and Prediction of Cavitation Erosion Using Euler-Euler and Multi-Scale Euler-Lagrange Methods

Peters, Andreas GND

This thesis presents numerical predictions of cavitation-induced erosion, for hydrodynamic flows, using Euler-Euler and multi-scale Euler-Lagrange methods. Improved approaches to numerically predict hydrodynamic cavitation-induced erosion are developed and applied to internal and external flows that involve stationary and rotating components.</br> Comparisons of numerically predicted erosion with experimentally obtained erosion patterns and qualitative experimental erosion predictions demonstrate the accuracy of the numerical methods.</br> First, an efficient Euler-Euler approach predicts areas exposed to erosion based on information of pressure and vapour content in the flow.</br> Second, a multi-scale Euler-Lagrange method uses calculated collapses of spherical Lagrangian bubbles to identify locations and time instances of cavitation bubble collapses and, thereby, predict erosion impacts. The multi-scale approach enables to correlate calculated bubble collapses with erosion pitting rates from measurements.</br> The developed methods give more accurate predictions of cavitation-induced erosion beyond the state of the art.

Die vorliegend Arbeit präsentiert numerische Vorhersagen kavitationsbedingter Erosion für hydrodynamische Strömungen, basierend auf Euler-Euler- und Multiskalen Euler-Lagrange-Methoden.</br> Verbesserte Verfahren zur numerischen Vorhersage von hydrodynamischer, kavitationsbedingter Erosion werden entwickelt und auf interne und externe Strömungen angewandt, welche stationäre und rotierende Komponenten beinhalten. Vergleiche mit experimentell bestimmten Erosionsmustern und qualitativen, experimentellen Vorhersagen ermöglichen eine Beurteilung der Genaugikeit der numerischen Erosionsvorhersage.</br> Zunächst wird eine effiziente Methode zur Vorhersage von Kavitationserosion basierend auf einem Euler-Euler-Verfahren vorgestellt. Das Verfahren verwendet Informationen aus der Strömungslösung zur Identifizierung von erosionsgefährdeten Bereichen.</br> Daraufhin wird ein Multiskalen-Euler-Lagrange-Verfahren präsentiert, welches berechnete Kollapse sphärischer Lagrange’scher Einzelblasen verwendet, um die Zeitpunkte und Positionen von Blasenkollapsen und somit von Erosionseinschlägen zu bestimmen.</br> Dieser Multiskalen-Ansatz ermöglicht die Korrelation der Blasenkollapse mit Erosionsmustern aus experimentellen Messungen. Die entwickelten Verfahren liefern genauere Vorhersagen kavitationsbedingter Erosion, über den derzeitigen Stand der Forschung hinaus.

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Peters, A., 2020. Numerical Modelling and Prediction of Cavitation Erosion Using Euler-Euler and Multi-Scale Euler-Lagrange Methods. https://doi.org/10.17185/duepublico/71156
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