A laboratory experiment was carried out to observe and visualize ventilated supercavitation phenomena around a moving underwater body which is attached to a newly designed high-speed (Max. 20 m/s) carriage system in a wave tank. Compared to the existing many other experimental studies using cavitation tunnels, where the body is at rest and the fluid is in motion in a bounded or closed environment, the present experimental study deals with super-cavity formation in unbounded or free-surface bounded environments, where the body is in motion and the fluid is at rest. Main attention is paid to the effective visualization of the steady-state cavity formations around a moving body and, those cavity formations are reported pictorially according to the body speed, ventilated air-pressure, and with or without a cavitator.
The gas ventilated by supercavitation splits into smaller bubbles and follows the water passage of the cavitation tunnel. The bubbles quickly return to the test section by rather high speed flow, and interrupt the observation of the supercavitation. To secure clear observation in the test section, the bubble collecting section(settling chamber) of large volume is prepared to collect bubbles in the water passage ahead of the test section. The bubble collecting section should provide enough buoyancy effect to the bubbles for proper bubble collecting. However, rather high-speed oncoming flow produces non-uniform velocity distribution and deteriorates buoyancy effect in the bubble collecting section. In the present study, the bubble collecting space and three porous plates are designed and analyzed through numerical methods, and the bubble collecting function is experimentally validated by 1/10-scaled model in terms of the formation of uniformly low velocity distribution in the bubble collecting section.
Ventilated cavity shapes by varying angle of attack of a circular cavitator were predicted based on Logvinovich's Independence Principle in order to verify the cavity shape prediction method. The prediction results were compared with model experiments conducted in the high-speed cavitation tunnel. In the prediction of the cavity centerline, the movement of the cavity centerline due to the effect of gravity and cavitator's angle of attack were well predicted. In the prediction of the cavity contour, it was found that the cavity edge prediction error increased as the angle of attack increased. The error of the upper cavity contour was small at the positive angle of attack, and the error of the lower cavity contour was small at the negative angle of attack.
A supercavitation is modern technology that can be used to reduce the frictional resistance of the underwater vehicle. In the process of reaching the supercavity condition which cavity envelops whole vehicle body, a vehicle passes through transition phase from fully-wetted to supercaviting operation. During this phase of flight, unsteady hydrodynamic forces and moments are created by partial cavity. In this paper, analytical and numerical investigations into the dynamics of supercavitating vehicle in transition phase are presented. The ventilated cavity model is used to lead rapid supercavity condition, when the cavitation number is relatively high. Immersion depth of fins and body, which is decided by the cavity profile, is calculated to determine hydrodynamical effects on the body. Additionally, the frictional drag reduction associated by the downstream flow is considered. Numerical simulation for depth tracking control is performed to verify modeling quality using PID controller. Depth command is transformed to attitude control using double loop control structure.
In the present works, the High-speed Cavitation Tunnel (HCT) has been designed and manufactured to have the large test section to conduct various supercavitation experiments. The large amount of air ventilated behind a cavitator produces lots of tiny bubbles, which prevent clear observation of supercavitation at the test section. To collect small bubbles effectively, a bubble collecting section of large volume is equipped upstream of the test section. HCT has the test section dimension of $0.3^H{\times}0.3^W{\times}3.0^L\;m^3$ and provides maximum flow speed of 20.4 m/s at the test section. The blockage and Froude effects on the ventilated supercavitation are investigated successfully at the test section. The basic studies such as the supercavitation evolution, drag measurements and cavity shape extraction with air flow rate are also carried out in HCT.
In this paper, the experimental equipments for ventilated supercavitation in cavitation tunnel is constructed and the basic data of ventilated supercavitation regard to the entrainment coefficient and Froude number is fulfilled. The experiments are conducted for the disk cavitator with injecting air and the pressure inside cavity and the shape of cavity are measured. As the entrainment coefficient increases while the Froude number is kept constant, the ventilated cavitation number decreases to a minimum value which decreases no more even with increasing the air entrainment. The minimum value of ventilated cavitation number, caused by the blockage effect, decreases according to increasing the diameter ratio of test section to cavitator. The cavity length is rapidly enlarged near the minimum cavitation number. In low Froude numbers, the cavity tail is floating up due to buoyancy and the air inside the cavity is evacuated from its rear end with twin-vortex hollow tubes. However, in high Froude numbers, the buoyancy effect is almost negligible and there is no more twin-vortex tubes so that the cavity shape becomes close to axisymmetric. In order to measure the cavity length and width, the two methods, which are to be based on the cavity shapes and the maximum width of cavity, are applied. As the entrainment coefficient increases after the ventilated cavitation number gets down to the minimum cavitation number, the cavity length still increases gradually. These phenomenon can be confirmed by the measurement using the method based on the cavity shapes. On the other hand, when the method based on the maximum width of cavity is used, the length and width of the cavity agree well with a semi-empirical formular of natural cavity. So the method based on the maximum width of cavity can be a valid method for cavitator design.
Supercavitation is a phenomenon in which the cavity covers the entire underwater vehicle. The purpose of this paper is to compare and analyze the thermal effect on the cavity characteristics by changing the ventilated gas temperature through computational analysis. For this study, a homogeneous mixture model based on the 3D Navier-Stokes equation was used. As a phase change model, it is its own code considering both pressure change and temperature change. A dimensionless number Tm was presented to analyze the numerical results, and as the Tm increased, the cavity length increased by about 3.6 times and the cavity width by about 3.3 times at 393.15 K compared to room temperature. Analyzing these thermal effects, it was confirmed that rapid heat exchange and heat transfer between the gas phase and the liquid phase occurred at the location where the ventilated gas was sprayed, affecting the cavity characteristics. In addition, it can be confirmed that the initial cavity surface becomes unstable as the ventilated gas temperature increases, and it can be confirmed based on the numerical analysis results that the critical temperature at which the cavity surface becomes unstable is 373.15 K.
In the present study, we investigated planing forces of supercavitated bodies by using the supercavitation shape produced by the disk type cavitator. The cavity shapes are observed to find the immersion draft and planing angle when the stern of the supercavitated body is partially immersed in the water. To make the planing the angle-of-attack (AOA) of the supercavitated body is varied statically against the main flow and the planing tests are carried out for different body shapes that are changed systematically. The drag, lift and pitch moment acting on the body are measured to understand the relation between the planing force and the immersion draft of the supercavitated body. It is found that the planing force increased in general linearly with the immersion draft ratio and the planing angle is certainly not proportional to the immersion draft ratio.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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