Master's Thesis

Design of a device for creating supercavitation by liquid rotation

Author of thesis: Ing. Oliver Hamar

Acad. year: 2023/2024

Supervisor: doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.

Reviewer: Ing. Marek Balko

Abstract:

This diploma thesis presents a comprehensive experimental and computational investigation of a newly developed vortex generator device utilized as a vortex-based hydrodynamic cavitation reactor, aimed at assessing its applicability within the CaviPlasma project. Experimental measurements are conducted on the existing vortex generator device to determine its hydraulic characteristics, supplemented by visualization of swirling flow in the generator. The experimental findings are compared with CFD simulations of two-phase cavitating flow in the 3D domain, utilizing an advanced hybrid SBES turbulence model. Furthermore, an optimized geometry for the vortex generator device is proposed and investigated with CFD. Subsequently, the original and optimized geometry are compared.

Keywords:

Hydrodynamic cavitation, vortex cavitation, swirling flow, HCR, CaviPlasma, CFD

Date of defence

12.06.2024

Date of publish

11.06.2029

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil komisi s diplomovou prací Návrh zařízení pro vytvoření superkavitace rotací kapaliny. Uvedl hlavní motivaci k řešení problému. Popsal hydrodynamický kavitační reaktor, následně upřesnil vlastnosti vírového kavitačního reaktoru. Zmínil předpoklady vzniku vírového copu a obecně také kavitace. Uvedl hlavní hydraulické charakteristiky. Okomentoval vizualizaci vírového copu a nastavení CFD simulací. Na prvotní geometrii systému popsal parametry vírového copu vzešlé ze simulace. Uvedl efekt modifikované geometrie systému. Upřesnil vliv tlakového pole. Na dotaz oponenta objasnil využití SBES simulačního modelu, RANS a LES. Popsal oblasti simulované RANS a LES modelem. Objasnil volbu velikosti časového kroku. Upřesnil způsob výběru konkrétních pracovních bodů v CFD simulacích. Komisí byl tázán na volbu okrajových podmínek s ohledem na požadovanou shodu s experimentem. Zmínil vlastnosti experimentu a jeho zjednodušení.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Energy Institute

Study programme

Power and Thermo-fluid Engineering (N-ETI-P)

Specialization

Fluid Engineering (FLI)

Composition of Committee

prof. RNDr. Milada Kozubková, CSc. (předseda)
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Vladimír Habán, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miloslav Haluza, CSc. (člen)
Ing. Aleš Skoták, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Zavadil, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Florian, CSc. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.

Student Oliver Hamar se ve své práci zabývá kavitací vyvolanou rotací kapaliny. Práce je psána anglicky, pečlivě, je vhodně a logicky členěna.

Problematika práce je složitá po stránce experimentální i výpočtové, přičemž obou se student zhostil velmi dobře. Především výpočtové simulace dvoufázového proudění s kavitací byly poměrně náročné s ohledem na obdržení věrohodného zkonvergovaného řešení.

Student svou práci konzultoval, pracoval průběžně a zodpovědně. Výsledky práce budou využity pro další výzkumnou činnost v oblasti hydrodynamické kavitace na odboru fluidního inženýrství V. Kaplana.

Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Marek Balko

Student se ve své práci věnuje návrhu, experimentům a CFD výpočtům hydrodynamického vírového kavitačního reaktoru. V úvodní části uceleně shrnuje základní principy kavitace a modelování vírů s přihlédnutím k jejich využití pro svou práci. Celkové kvalitě textu ubírají drobné chyby a formátovací vady napříč prací, například „čtverce“ prázdných znaků v rovnicích na stranách 24 a 25, špatný křížový odkaz na straně 53 (Fig. 31 má být Fig. 33), nebo nepochopitelné řazení citací, které není řazeno podle prvního výskytu v textu ani podle abecedy (první citace v textu číslována [32]).

Druhá část práce je věnovaná experimentálnímu měření hydraulických charakteristik reaktoru. Celé měření i jeho zpracování bylo provedeno a popsáno velice pečlivě a profesionálně s rozumnou dávkou kritického zhodnocení dosažených výsledků, postupů měření i návrhů, jak překonat nedokonalosti experimentu. Jen bych doporučil u grafů Fig. 30, 32, 33 (a podobných typů) nepoužívat spojnicový typ grafu, který zhoršuje čitelnost výsledků.

Poslední kapitola je věnována výpočtovému modelování. Za touto kapitolou je vidět ohromné množství studentovy práce, které se odráží na kvalitě provedení výpočtů. Musím vyzdvihnout provedení meshování domény, které působí velice nadstandardně. Popis postupu výpočtů je proveden detailně, většinou jsou uvedeny důvody, proč student zvolil daná nastavení modelu a vyhodnocení. Vizualizace jsou provedeny s ohledem na možnost porovnání výsledků s experimenty. Student v celé práci prokazuje dobrou schopnost kritického myšlení při zhodnocování dosažených výsledků i návrhu řešení vzniklých problémů.

Cíle práce byly splněny a doporučuji tuto práci k obhajobě s hodnocením: A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. V práci pracujete s modelem SBES. Mohl byste ukázat obrázek v kterých oblastech se počítal RANS a v kterých LES na základě Shielding function?
  2. Na základě čeho jste vybíral právě těchto šest pracovních bodů pro CFD výpočty?
  3. Proč jste volil časový krok právě 1·10^-5 s?

Grade proposed by reviewer: A

Reasons for publication postponement

The publication of a master’s thesis are in compliance with the provisions of Section 47b (4) of Act No. 111/1998 Coll., on Higher Education Institutions, postponed. The reason for postponing the publication is the fact that the master’s thesis contains information protected by special legal regulations (e.g. Act No. 527/1990 Coll., on Inventions and Improvement Proposals).

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová