Studying Multiphase Flow around a Vehicle Moving Freely to the Water Surface

V. I. Pegov; I. Yu. Moshkin

doi:10.17804/2410-9908.2022.6.046-064

V. I. Pegov, I. Yu. Moshkin

STUDYING MULTIPHASE FLOW AROUND A VEHICLE MOVING FREELY TO THE WATER SURFACE

DOI: 10.17804/2410-9908.2022.6.046-064

The paper provides an experimental study of a multiphase flow around models in a large high-speed hydrodynamic tunnel with a vertical working section. Experimental dependences of drag coefficients on the cavitation number for vertical cavities are obtained. The results of cavitation flow around bodies of revolution in a vertically descending fluid flow are considered. A methodology for calculating the shape of vertical cavities under the slender-body theory is proposed. Relationships suitable for engineering evaluation are obtained for very long cavities. Numerical simulation of underwater motion is performed with models moving vertically in a nonstationary cavitation flow. The hydrodynamic loads can be evaluated through the determination of the nonstationary boundaries of a gas cavity and a linear load on a water-flown aft. The predicted results are compared with the experimental data. Validation and verification are performed by comparing the analysis results with the experimental data. The applicability of the proposed method to the determination of the hydrodynamic parameters of vehicles under multiphase flow is demonstrated.

Acknowledgement: The work was supported by the South Urals Federal Research Center of Mineralogy and Geoecology of the Urals Branch of the RAS and the Academician V. P. Makeyev State Rocket Centre JSC. It was performed under the state assignment for the SU FRC MG UB RAS, project No. AAAA-A21-121012090155-5.

Keywords: multiphase flow, cavitation, cavity, experimental study, mathematical and physical simulation

References:

Logvinovich G.V., Buyvol V.N. Techeniya so svobodnymi poverkhnostyami [Flows with free surfaces]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1985, 178 p. (In Russian).
Kapankin E.N., Gulnev S.I. Cavitation flow over a body by a vertical fluid stream. In: Krylov Recitations: Reports, Leningrad, 1973, pp. 14–26. (In Russian).
Poletayev B.I. Matematicheskaya model dinamiki dvizheniya rakety na podvodnom uchastke kavitatsionnogo sposoba starta raket [Math model of dynamics of motion of a missile in the underwaters part of the missile cavitational launch technique]. In: Problemy mashinovedeniya i mashinostroyeniya: interuniversity collected papers, SPb., SZGZTU Publ., 2001, iss. 24, pp. 24–37. (In Russian).
Degtiar V.G., Pegov V.I. Results of tryouts of cavitational launch technique for missiles. In: Raketnaya i kosmicheskaya tekhnika [Rocket and space technique: Collected Papers], 1999, iss. 1 (43), part 2, pp. 20–35. (In Russian).
Degtiar V.G., Pegov V.I. Gidrodinamika podvodnogo starta raket [Hydrodynamics of Underwater Missile Launching]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2009, 448 p. (In Russian).
Pegov V.I., Moshkin I.Yu., Cheshko A.D. Estimating nonstationary planing of a round cylinder along the disturbed fluid surface. Chelyabinskiy Fiziko-Matematicheskiy Zhurnal (Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal), 2021, vol. 6, iss. 3, pp. 338–346. DOI: 10.47475/2500-0101-2021-16308. (In Russian).
Norkin M.V., Yakovenko A.A. Short-time dynamics of an elliptical cylinder in an ideal incompressible fluid with free boundaries. Computational Mathematics and Mathematical Physics, 2012, vol. 52, No. 11, pp. 2060–2070. (In Russian).
Norkin M.V. Short-time dynamics of an elliptic cylinder moving in a viscous incompressible free-surface flow. Computational Mathematics and Mathematical Physics, 2012, vol. 52, No. 2, pp. 319–329. (In Russian).
Goodov A.M. The numerical investigation of phenomenon at the liquid surface under gas bubble collapse. Computational Technologies, 1997, vol. 2 (4), pp. 49–59. (In Russian).
Korobitsyn V.A. Zbornik radova konferencije MIT, 2011, Beograd, 2012, pp. 217–221. ISBN 978-86-83237-90-6(AU). (In Russian). Available at: www.mit.rs/2011/zbornik-2011.pdf
Korobitsin V.A., Pegov V.I. Numerical analysis of the evolution of an interface between two liquids. Fluid Dynamics, 1993, vol. 28, No. 5, pp. 692–695. DOI: 10.1007/BF01050054.
Korobitsyn V.A. Numerical model for axisymmetrical incompressible potential flows. Matematicheskoe Modelirovanie, 1991, vol. 3, No. 10, pp. 42–49. (In Russian).
Ishchenko A.N., Afanas’eva S.A., Burkin V.V., Dyachkovsky A.S., Zykov E.N., Khabibullin M.V. Raschetno-eksperimental'nyy metod issledovaniya vysokoskorostnogo vzaimodeystviya tel s podvodnymi pregradami: uchebnoe posobie [Calculation-experimental method for studying high-speed interaction of bodies with under water: educational book]. Tomsk, Izdatel’stvo NTL Publ., 2013, 60 p. (In Russian).
Kuznetsov G.V., Morozov T.A., Shalnov S.A. Stability of the angular motion of the underwater vehicle in the presence of cavitation flow. Nauchno-tekhnicheskii Vestnik Povolzhya (Science and Technical Bulletin of the Volga Region), 2021, No. 3, pp. 21–24. (In Russian).
Khitrykh D.P., Malamanov S.Yu., Pavlovski V.A. Numerical analysis of the unsteady cavitating turbulent flow around the NACA009 hydrofoil. Marine Intellectual Technologies, 2018, 2 (40), vol. 1, pp. 139–143. (In Russian).
Dmitriyeva N.A. Computer simulation axisymmetric cavitatiing flows of spherical caps in the pipe. In: Matematicheskiye modeli i ikh prilozheniya: sbornik [Mathematical models and their applications]. Cheboksary, 2017, pp. 37–45. (In Russian).
Abdurakipov S.S., Dobroselsky K.G. Experimental Study by Optical and Statistical Methods of Large-Scale Velocity Fluctuations in the Flow Past a Cylinder. Siberian Journal of Physics, 2019, vol. 14, No. 3, pp. 5–14. DOI: 10.25205/2541-9447-2019-14-3-5-14. (In Russian).
Thang N.T., Ngoc D. Numerical Study of the Natural-Cavitating Flow around Underwater Slender Bodies. Fluid dynamics, 2019, 54, pp. 835–849. DOI: 10.1134/S0015462819060120.
Pegov V.I., Moshkin I.Yu. Mathematical modeling of processes of heat and mass transfer of hot gas jets with fluid during underwater vehicle launch. Chelyabinskiy Fiziko-Matematicheskiy Zhurnal, 2020, vol. 5, iss. 4 (1), pp. 451–462. DOI: 10.47475/2500-0101-2020-15405. (In Russian).
Pegov V.I., Moshkin I.Yu. Applying the method of plane sections for evaluating the parameters of flight vehicles under multiphase flow. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2020, iss. 4, pp. 48–61. DOI: 10.17804/2410-9908.2020.4.048-061. Available at: https://dream-journal.org/DREAM_Issue_4_2020_Pegov_V.I._et_al._048_061.pdf
Nikulin Е.S., Pegov V.I., Cheshko A.D., Moshkin I.Yu. Numerical simulation of power and thermal loads on a submarine during an underwater missile launch. Journal of «Almaz–Antey» Air and Space Defence Corporation, 2020, No. 4, pp. 47–53. DOI: 10.38013/2542-0542-2020-4-47-53. (In Russian).
Pegov V.I., Moshkin I.Yu. Analysis of fluid dynamics of cavitational launch technique. Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal, 2018, vol. 3, iss. 4, pp. 476–485. DOI: 10.24411/2500-0101-2018-13408. (In Russian).

В. И. Пегов, И. Ю. Мошкин

ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОФАЗНОГО ОБТЕКАНИЯ ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ИЗДЕЛИЯ К ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ

Проведено экспериментальное исследование многофазного обтекания моделей в большой скоростной гидродинамической трубе с вертикальным рабочим участком. Получены экспериментальные зависимости коэффициентов сопротивления от числа кавитации для вертикальных каверн. Рассматриваются результаты кавитационного обтекания тел вращения в вертикальном нисходящем потоке жидкости. Предложена методика расчета формы вертикальных каверн на основе теории тонкого тела. Для очень длинных каверн получены соотношения, удобные для инженерных оценок. Проведено численное имитационное моделирование движения под водой моделей, двигающихся вертикально при нестационарном кавитационном обтекании. Вычисление гидродинамических нагрузок заключается в определении нестационарных границ газовой каверны и погонной нагрузки на замытую кормовую часть. Результаты расчетов сравнивают с экспериментальными данными. Валидация и верификация проведены путем сравнения результатов расчетов с опытными данными. Показана возможность использования предложенного метода для определения гидродинамических характеристик изделий при многофазном обтекании.

Благодарность: Работа выполнена при поддержке Южно-Уральского федерального научного центра минералогии и геоэкологии УрО РАН и АО «Государственный ракетный центр имени ака-демика В.П. Макеева» в рамках государственного задания ЮУ ФНЦ МиГ УрО РАН по теме № АААА-А21-121012090155-5.

Ключевые слова: многофазное обтекание, кавитация, каверна, экспериментальное исследование, математическое и физическое моделирование

Библиография:

Логвинович Г. В., Буйвол В. Н. Течения со свободными поверхностями. – Киев : Наукова думка, 1985. – 178 с.
Капанкин Е. Н., Гульнев С. И. Кавитационное обтекание тел вертикальным потоком жидкости // XXII Всесоюзная науч.-техн. конференция по теории корабля (Крыловские чтения 1973 г.), Ленинград, 1973 г. : краткие тезисы докладов. – Ленинград : Судостроение, 1973. – С. 14–26.
Полетаев Б. И. Математическая модель динамики движения ракеты на подводном участке кавитационного способа старта ракет // Проблемы машиноведения и машиностроения : межвуз. сб. – СПб : СЗГЗТУ, 2001. – Вып. 24. – С. 24–37.
Дегтярь В. Г., Пегов В. И. Результаты экспериментальной отработки кавитационного способа старта ракет // РКТ. – 1999. – Вып. 1 (43), ч. 2. – С. 20–35.
Дегтярь В. Г., Пегов В. И. Гидродинамика подводного старта ракет. – М. : Машиностроение, 2009. – 448 с.
Пегов В. И., Мошкин И. Ю., Чешко А. Д. Расчет нестационарного глиссирования кругового цилиндра по возмущенной поверхности жидкости // Челябинский физико-математический журнал. – 2021. – Том 6, вып. 3. – С. 338–346. – DOI: 10.47475/2500-0101-2021-16308.
Норкин М. В., Яковенко А. А. Начальный этап движения эллиптического цилиндра в идеальной несжимаемой жидкости со свободными границами // Журн. вычисл. математики и матем. физики. – 2012. – Т. 52, № 11. – C. 2060–2070.
Норкин М. В. Начальный этап движения эллиптического цилиндра в вязкой несжимаемой жидкости со свободной поверхностью // Журн. вычисл. математики и матем. физики. – 2012. – Т. 52, № 2. – C. 319–329.
Гудов А. М. Численное исследование явлений на поверхности воды при схлопывании газовой полости // Вычисл. технологии. – 1997. – Т. 2, № 4. – С. 49–59.
Коробицын В. А. Численное моделирование многосвязных течений несжимаемой жидкости // Zbornik radova Konferencije MIT, 2011. – Beograd, 2012. – P. 217–221.
Korobitsin V. A., Pegov V. I. Numerical analysis of the evolution of an interface between two liquids // Fluid Dynamics. – 1993. – Vol. 28, No. 5. – P. 692–695. – DOI: 10.1007/BF01050054.
Коробицын В. А. Численное моделирование осесимметричных потенциальных течений несжимаемой жидкости // Математическое моделирование. – 1991. – Т. 3, № 10. – С. 42–49.
Расчетно-экспериментальный метод исследования высокоскоростного взаимодействия тел с преградами : учеб. пособие / А. Н. Ищенко, С. А. Афанасьева, В. В. Буркин, А. С. Дьячковский, Е. Н. Зыков, М. В. Хабибуллин. – Томск : Изд-во НТЛ. – 2013. – 60 c.
Кузнецов Г. В., Морозов Т. А., Шальнов С. А. Устойчивость углового движения подводного аппарата при наличии кавитационного обтекания // Научно-технический вестник Поволжья. – 2021. – № 3. – С. 21–24.
Хитрых Д. П., Маламанов С. Ю., Павловский В. А. Численное исследование нестационарного кавитационного обтекания крыла NASA009 // Морские интеллектуальные технологии. – 2018. – № 2–1 (40). – С. 139–143.
Дмитриев Н. А. Компьютерное моделирование осесимметричного кавитационного обтекания сферических сегментов в трубе // Математические модели и их приложения : сб. – Чебоксары, 2017. – С. 37–45.
Абдуракипов С. С., Добросельский К. Г. Экспериментальное исследование оптическим и статистическим методами крупномасштабных пульсаций потока при обтекании цилиндра // Сибирский физический журнал. – 2019. – Т. 14, № 3. – С. 5–14. – DOI: 10.25205/2541-9447-2019-14-3-5-14.
Thang N. T., Ngoc D. Numerical Study of the Natural-Cavitating Flow around Underwater Slender Bodies // Fluid dynamics. – 2019. – 54. – P. 835–849. – DOI: 10.1134/S0015462819060120.
Пегов В. И., Мошкин И. Ю. Математическое моделирование процессов тепломассообмена горячих газовых струй с жидкостью при подводном старте аппарата // Челябинский физико-математический журнал. – 2020. – Т. 5, вып. 4 (1). – С. 451–462. – DOI: 10.47475/2500-0101-2020-15405.
Pegov V. I., Moshkin I. Yu. Applying the method of plane sections for evaluating the parameters of flight vehicles under multiphase flow // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2020. – Iss. 4. – P. 48–61. – DOI: 10.17804/2410-9908.2020.4.048-061. – URL: https://dream-journal.org/DREAM_Issue_4_2020_Pegov_V.I._et_al._048_061.pdf
Численное моделирование силовых и тепловых нагрузок на подводную лодку при старте ракеты / Е. С. Никулин, В. И. Пегов, А. Д. Чешко, И. Ю. Мошкин // Вестник Концерна ВКО «Алмаз–Антей». – 2020. – № 4. – С. 47–53.
Пегов В. И., Мошкин И. Ю. Расчет гидродинамики кавитационного способа старта ракет // Челябинский физико-математический журнал. – 2018. – Т. 3, вып. 4. – С. 476–485. – DOI: 10.24411/2500-0101-2018-13408.

Библиографическая ссылка на статью

Pegov V. I., Moshkin I. Yu. Studying Multiphase Flow around a Vehicle Moving Freely to the Water Surface // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2022. - Iss. 6. - P. 46-64. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2022.6.046-064. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2022-6/2022-6_379.html
(accessed: 04.04.2025).