Numerical analysis on the collapse of wall-attached cavitation bubble

Abstract

In the present study, we numerically investigate the spherical and ellipsoidal bubbles in the situation where the bubble is attached to walls. The simulations are conducted with an incompressible two-phase flow solver. We adopt a geometrical volume of fluid method to accurately track bubble interfaces in rapid changes during cavitation and calculate the liquid and vapor phase using a transport equation model with cavitation model. We validate this model by solving Rayleigh bubble collapse problem and the results are consistent with the analytical solution. Subsequently, the wall-attached cavitation bubble is simulated for a fixed wall distance condition. For the spherical bubble, the numerical results are in well agreement with the experimental results, and the bubble collapses into a torus shape as the jet impact on the wall spreads radially outward from the center of the wall. For the ellipsoidal bubble, parametric study is conducted about the initial aspect ratio. In the collapse of the ellipsoidal bubble, two different jets occur, and the initial aspect ratio determines the relative behavior between them. The faster one dominates the collapse pattern, and the ellipsoidal bubble collapses into two pieces, forming a lung-like shape. The jet impact on the wall spreads from the center of the wall in the direction of the major axis of the bubble. On the other hand, in the case of ellipsoidal bubbles with a nearly spherical aspect ratio, the magnitude of the dominant jet is relatively small and its position changes with time, resulting in an asymmetrical torus shape. From these results, we conclude that collapse pattern of the bubble significantly depends on the position and the relative magnitude of the dominant jet which are determined by the aspect ratio, and present the detailed flow characteristics numerically.

본 논문에서는 기포가 벽에 부착된 상황에서의 구형 및 타원형 기포를 수치적으로 조사하였다. 시뮬레이션은 비압축성 2상 유동 솔버로 수행되었으며, 캐비테이션 기포 붕괴 과정의 급격한 변화에 있어서 기포 계면을 정확하게 추적하기 위하여 유체의 기하학적 부피 방법에 기반하여 캐비테이션 모델을 포함한 운송 방정식 모델을 사용하였다. 수치 모델은 Rayleigh 버블 붕괴 문제로 검증되며 결과는 해석해와 잘 일치하였다. 이어서, 벽에 부착된 캐비테이션 기포는 고정된 벽 거리 조건에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 구형 기포의 경우 수치 결과가 실험 결과와 잘 일치하며 기포가 원환면 형태를 띄며 붕괴되면서 벽에 대한 제트 충격이 벽의 중심에서 반지름 바깥 방향으로 확산되는 경향을 보였다. 반면 타원형 기포의 경우 종횡비에 관한 변수 연구가 수행되었다. 타원형 기포 붕괴에서는 두 개의 서로 다른 제트가 발생하며, 초기 기포의 종횡비는 이들 사이의 상대적 거동에 크게 영향을 주었다. 두 제트 중 상대적으로 높은 속도를 지니는 지배 제트가 붕괴 패턴을 주도하게 되며, 이에 따라 타원형 기포는 구형 기포와 달리 폐와 같은 모양을 형성하며 두 조각으로 분리되는 경향을 보였다. 이 때 벽에 대한 제트 충격은 벽의 중심으로부터 기포의 장축 방향으로 확산되었다. 반면 구형에 가까운 종횡비를 지니는 타원형 기포의 경우, 지배 제트의 크기가 상대적으로 작고 그 위치가 시간에 따라 변화하여 비대칭적인 원환면 형태를 띄며 붕괴되는 경향을 보였다. 이러한 결과로부터, 거품의 붕괴 패턴이 종횡비에 의해 결정되는 지배적인 제트의 위치와 상대적인 크기에 상당히 좌우되는 현상을 결론지었고 그 자세한 유동 특성을 수치적으로 제시하였다.