Head form cavitation tests

R e p o r t Nrp 1 3 5 »

LABORATORIUM VOOR

SCHEEPSBOUWKUNDE

T E C H N I S C H E H O G E S C H O O L DELFT

1965„

TABLE UF GüNTKNTSo

MiBimum p r e s s u r e c o e f f i c i e n t s i n d i c a t i n g t e n s i l e s t r e s s e s i n t h e w a t e r , a r e g i v e n f o r a m o d i f i e d e l l i p s o i d a l h e a d f o r m a t z e r o a n g l e o f yaw. T h e y a r e c o m p a r e d w i t h p r e s s u r e c o e f f i c i e n t s o b t a i n e d i n a s e p a r a t e d w a k e * V a l u e s a r e g i v e n f o r t h e i n c i p i e n t c a v i t a t i o n n u m b e r a n d f o r t h e c a v i t a t i o n n u m b e r a t w h i c h a r e m a r k a b l e i n c r e a » * o f a i r - b u b b l e r e c i r c u l a t i o n o c c u r r e d .

1 L I S T OF SYMBOLS, = p r e s s u r e c o e f f i c i e n t i n g e n e r a l . C p ^ = p r e s s u r e c o e f f i c i e n t i n s e c t i o n n u m b e r 5» ( C p ) ^ = p r e s s u r e c o e f f i c i e n t b a s e d on v e l o c i t y a n d s t a t i c p r e s s u r e i n s e c t i o n 5» D = d i a m e t e r o f m o d e l . (7*^ = c a v i t a t i o n n u m b e r b a s e d on v a p o u r p r e s s u r e . = s t a t i c p r e s s u r e i n u n b o u n d e d f l o w a t i n f i n i t y . = v e l o c i t y i n u n b o u n d e d f l o w a t i n f i n i t y , p ^ = a v e r a g e p r e s s u r e i n s e c t i o n 5 b e t w e e n t o p a n d b o t t o m w i n d o w . = d e n s i t y o f t h e w a t e r , g = a c c e l e r a t i o n o f g r a v i t y . H = t o t a l h e a d = s p e c i f i c g r a v i t y d i f f e r e n c e b e t w e e n m e r c u r y a n d w a t e r , h = m a n o m e t e r r e a d i n g s 2

-2 1 . I N T R O D U C T I O N . By H. L i n d g r e n o f S t a t e n s S k e p p s p r o v n i n g s a n s t a l t G ö t e b o r g , a « « « p a r a t i v e c a v i t a t i o n t e s t p r o g r a m h a d b e e n p r o p o s e d ( R e f . l ) f o r t h e s o l u t i o n o f p r o b l e m s c o n n e c t e d w i t h c a v i t a t i o n t e s t s c o n d u c t e d i n w a t e r t u n n e l s . I n r e c o g n i t i o n o f t h e p r o b l e m s a n d a d m i t t i n g t h a t one w a y t o « o l v e t h e m , i s b y t a c k l i n g t h e m i n c l o s e c o o p e r a t i o n b e t w e e n d i f f e r e n t w a t e r t u n n e l f a c i l i t i e s , t h e S h i p b u i l d i n g L a b o r a t o r y o f t h e D e l f t T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y h a s d e c i d e d t o p a r t i -c i p a t e i n t h e p r o g r a m . 2 o T H E MODEL AND I T S S U P P O R T . T h e m o d i f i e d e l l i p s o i d a l h e a d form m o d e l h a s b e e n m a n u f a c t u r e d o f s t a i n l e s s s t e e l i n a c c o r d a n c e w i t h t h e s p e c i f i c a t i o n s g i v e n i n R e f . 1 . T h e f i n i s h e d m o d e l h a s b e e n m e a s u r e d b y t h e L a b o r a t o r y f o r W o r k s h o p T e c h n i q u e s o f t h e U n i v e r s i t y . T h e r e s u l t s o f t h e s e m e a s u r e -m e n t s a r e g i v e n i n A p p e n d i x 1 . A f t e r t h e m e a s u r e m e n t , a s m a l l h o l e h a s b e e n d r i l l e d i n t h e r e g i o n o f minimum p r e s s u r e ; i t s p o s i t i o n h a s b e e n d e t e r m i n e d f r o m R e f . 2 . T h e o u t l i n e o f t h e m o d e l a n d i t s s u p p o r t i s g i v e n i n F i g . 3 i n c o n n e c t i o n w i t h r e s u l t s . T h e m o d e l h a s b e e n c l e a n e d w i t h a c e t o n e b e f o r e t h e t e s t s e c -t i o n w a s f i l l e d w i -t h w a -t e r . 3 o T H E IVATER TUNNEL F A C I L I T Y . O u t l i n e s o f t h e w a t e r t u n n e l f a c i l i t y a r e g i v e n i n F i g . 1 f r o m w h i c h t h e a p p r o x i m a t e d i m e n s i o n s c a n b e d e t e r m i n e d . T h e m a i n d i m e n s i o n s a r e : T a b l e 1 <• M a i n D i m e n s i o n s o f '.Vater T u n n e l a n d M o d e l . L e n g t h o f h o r i z o n t a l l i m b s b e t w e e n c e n t r e l i n e s 5,03 m " " v e r t i c a l " " " ^,53 « Maximum c r o s s s e c t i o n a l a r e a =0 , 7 3x0 , 7 3 = 0,53 W o r k i n g s e c t i o n a r e a

= 0 , 3 0 x 0 , 3 0 = 0,09 »^

3

-E X P -E R I M -E N T A L S -E T UP, P r e s s u r e t a p s h a v e b e e n p r o v i d e d i n t h e f o l l o w i n g p o s i t i o n s : ( F i g . 2 ) , 1. Minimum p r e s s u r e p o i n t on t h e m o d e l . 2 . U p s t r e a m o f t h e n o z z l e ( T o t a l H e a d = H ) . 3" On t h e n o z z l e ( S t a t i c p r e s s u r e a n d v e l o c i t y r e f e r e n c e , c o n v e n -t i o n a l w a y ) . 4 o 7 p o i n t s , 60 mn a p a r t a l o n g c e n t r e l i n e o f t o p w i n d o w o f w o r k i n g s e c t i o n . 5 . 7 p o i n t s , 60 mm a p a r t a l o n g c e n t r e l i n e o f b o t t o m w i n d o w o f w o r k -i n g s e c t -i o n . 6. I n a n a p p e n d a g e p r o t r u d i n g f r o m t h e b o t t o m w i n d o w t o m e a s u r e t h e p r e s s u r e i n a s e p a r a t e d w a k e . T h r o u g h t h e h o l e s 1 a n d 6, a c o n t i n u o u s s u p p l y o f w a t e r was p r o v i d e d i n o r d e r t o e l i m i n a t e t h e i n f l u e n c e o f c a p i l l a r i t y i n t h e t u b e s i n c a v i t a t i n g c o n d i t i o n s . I n t h e c a s e o f t h e m o d e l t h i s n e c e s s i t a t e d a c a l i b r a t i o n , w h i c h w a s p e r f o r m e d r e p e a t e d l y u n d e r non c a v i t a t i n g c o n é i -t i o n s by s h u -t -t i n g o f -t h e w a -t e r s u p p l y . T h i s w a s c o n n e c -t e d w i -t h -t h e h i g h p r e s s u r e e n d o f t h e n o z z l e b y c a p i l l a r y t u b e s . A l l t h e m e n t i o n e d p r e s s u r e t a p s w e r e c o n n e c t e d w i t h m u l t i mano-m e t e r s ( mano-m e r c u r y a n d w a t e r ) . R e c o r d i n g w a s p e r f o r mano-m e d p h o t o g r a p h i c a l l y , s i m u l t a n e o u s l y w i t h a c h r o n o m e t e r a n d a r e c o r d n u m b e r . An e l e c t r o n i c p e n r e c o r d e r was p r o v i d e d f o r t h e i n d i c a t i o n o f : 1) . N o i s e , g e n e r a t e d b y c a v i t a t i o n on t h e m o d e l a n d t r a n s d u c e d b y a h y d r o p h o n e w h i c h w a s m o u n t e d i n t h e m o d e l . 2 ) . L i g h t , r e f l e c t e d b y r e c i r c u l a t i n g a i r b u b b l e s i n t h e t e s t s e c t i o n a n d p i c k e d up by a p h o t o g r a p h i c a l t y p e l i g h t m e t e r c e l l m o u n t e d on t h e t o p w i n d o w . ( T h e l i g h t b u l b s h a d b e e n p l a c e d b e h i n d t h e b a c k w i n d o w i n t h i a t e a t ) . 3 ) . A b s o l u t e p r e s s u r e u p s t r e a m o f t h e n o z z l e , t r a n s d u c e d b y a c a p a c i -t i v e p r e s s u r e -t r a n s d u c e r , w h i c h v/as c a l i b r a -t e d r e p e a -t e d l y d u r i n g t h e t e s t s a g a i n s t a U - t u b e m a n o m e t e r ( m e r c u r y a n d w a t e r ) » 4 ) . T h e i n s t a n t o f p h o t o g r a p h i c r e c o r d i n g . A v a n S l i j k e a p p a r a t u s f o r t h e m e a s u r e m e n t o f a i r c o n t e n t w a s c o n n e c t e d t o t h e t u n n e l i n s u c h a way, t h a t a c o n t i n u o u s f l o w o f w a t e r p a s s e d t h e e n t r a n c e v a l v e d u r i n g a l l t e s t a .

T h e m u l t i i a a n o m e t e r w a s s e p a r a t e l y c o n n e c t e d w i t h a t u b e , f i l l e d w i t h c a r e f u l l y d e a e r a t e d w a t e r . T h e w a t e r a n d v a p o u r i n t e r -f a c e was a d j u s t e d t o m a t c h t h e c e n t r e l i n e o -f t h e tunnel» T h i s s e t up was d e s i g n e d f o r t h e e x p e r i m e n t a l d e t e r m i n a t i o n o f t h e v a p o u r p r e s s u r e . E X P E R I M E N T A L PROGKDURE, P r e c e d i n g e a c h t e s t r u n , t h e t u n n e l w a t e r was c a r e f u l l y d e -a e r -a t e d . T h e r u n s w e r e m-ade -a t -a p r e s e t w -a t e r v e l o c i t y , w h i c h w -a -a n o t a u t o m a t i c a l l y c o n t r o l l e d . By d e c r e a s i n g a n d t h e r e a f t e r i n c r e a s i n g o f t h e p r e s s u r e i n t h e t u n n e l , t h e f o l l o w i n g s t a g e s w e r e r e c o r d e d d u r i n g a r u n . 1. Non c a v i t a t i n g a t a n a r b i t r a r y p r e s s u r e ( 2 x) f o r c a l i b r a t i o n o f m o d e l t u b e . 2. F i r s t i n d i c a t i o n s o f c a v i t a t i o n , a c o u s t i c a l o r v i s u a l . 3 . C a v i t a t i n g w i t h l a r g e n o i s e l e v e l . C a v i t a t i n g w i t h l a r g e b u b b l e s a n d l o w n o i s e » 5 . Same a s 3 » b u t w i t h r i s i n g p r e s s u r e . 6, Same a s 2, b u t w i t h r i s i n g p r e s s u r e . T h e f i r s t two t e s t r u n s h a v e b e e n made w i t h t h e p r e s s u r e h e l d c o n s t a n t f o r some t i m e a t t h e s e s t a g e s , i n o r d e r t o o b t a i n r e l i a b l e • u l t i m a n o m e t e r r e c o r d i n g s . T h e n e x t r u n s h a v e b e e n made w i t h c o n t i n -u o -u s l y v a r y i n g p r e s s -u r e f o r t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e c o n d i t i o n s a t t h e f i r s t a n d l a s t a c o u s t i c i n c i d e n c e o f c a v i t a t i o n . DATA R E D U C T I O N . I n a b s e n c e o f t h e m o d e l , w i t h t h e t o t a l h e a d a s a r e f e r e n c e p r e s s u r e , s t a t i c p r e s s u r e s h a v e b e e n m e a s u r e d a l o n g t h e t e s t s e c -t i o n w i n d o w s a n d i n one p o i n -t o f -t h e n o z z l e . F r o m -t h i s -t e s -t i -t w a s f o u n d , t h a t t h e d a t a o b t a i n e d a t t h e n o z z l e m u s t be m u l t i p l i e d b y 1.692 i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e s o - c a l l e d " t u n n e l s t a t i c p r e s s u r e " i n p r e s e n c e o f t h e m o d e l » T h i s m e a n s t h a t i n t h i s o r t h o d o x way, a r a t h e r l a r g e e x t r a -p o l a t i o n h a d t o be a -p -p l i e d f o r t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e m o s t b a s i c p a r a m e t e r s o f t h e f l o w . To make m a t t e r s e v e n w o r s e , t h e p o s i t i o n o f t h e s e l e c t e d p o i n t a t t h e n o z z l e i s s t i l l v e r y n e a r t o t h e m o d e l h e a d a n d i t i s t h e r e -f o r e d o u b t -f u l t h a t t h e p r e s s u r e i n t h i s p o i n t i s n o t a -f -f e c t e d b y t h e

p r e s e n c e o f t h e m o d e l o T h e o r t h o d o x p r i n c i p l e o f d e t e r m i n i n g t h e v o l t i m e f l o w i n t h e t u n n e l a n d a p p l y i n g c o r r e c t i o n s a f t e r w a r d s , w h i c h h a s p r o v e n t o be s a t i s f a c t o r y i n w i n d t u n n e l t e s t s , i s s u b j e c t t o d o u b t when i t i s a p p l i e d t o c a v i t a t i o n f l o w s . F o r t h e s e r e a s o n s t h e f o l l o w i n g p r o c e d u r e o f d a t a r e d u c t i o n h a s b e e n f o l l o w e d : I n t h e f i r s t p l a c e t h e p o s i t i o n o f t h e p o i n t o f m i n i m u m p r e s -s u r e on t h e m o d e l h e a d wa-s d e t e r m i n e d f o r m R e f . 2 a n d i t -s p r e -s -s u r e c o e f f i c i e n t i n u n b o u n d e d f l o w w a s d e t e r m i n e d f r o m a t e s t i n t h e t o w i n g t a n k (G = - 0 . 5 8 3 ; - 0 . 6 h a d b e e n g i v e n i n R e f . 1 ) , F r o m t h e r e s u l t s o f t h e p r e s s u r e m e a s u r e m e n t s a l o n g t h e t o p a n d b o t t o m w i n d o w s , t h e a v e r a g e i n h e i g h t w a s t a k e n a n d a p o i n t ( s e c t i o n 5 ) was s e l e c t e d i n w h i c h t h e p r e s s u r e p r o v e d t o be u n a f -f e c t e d b y t h e c h a n g e s i n t h e -f l o w , c a u s e d by c a v i t a t i o n . I t i s a s s u m e d t h a t i n t h i s p o i n t = a . S o : ^ ^ - ^ = a w h e r e a s : A p p l y i n g B e r n o u l l i f o r b o t h p o i n t s : o r : e q u a l l y D i v i s i o n o f t h e s e e q u a t i o n s g i v e s : F r o m t h e m u l t i m a n o m e t e r was o b t a i n e d i n g e n e r a l :

jo^H - p. - aYX. -k

-s o : f r o m w h i c h ;

a.

y

V T h e (T^ v a l u e f o r i n c i p i e n t c a v i t a t i o n , o b t a i n e d f o r t h e a c o u s t i c d e t e c t i o n , w a s f o u n d t o b e :

cr

k).

t h i s w a k e c a v i t y h a s h a d some i n f l u e n c e on t h e r e s u l t s , b u t t h e g e n e r a l p i c t u r e s e e m s t o a g r e e w i t h t h a t o b t a i n e d f r o m e a r l i e r w o r k ( P a r k i n s a n d o t h e r s ) » 5 ) . T h e d i r e c t m e a s u r e m e n t o f t h e v a p o u r p r e s s u r e d o e s n o t a g r e e w i t h t h e t a b l e s . T h i s may h a v e b e e n c a u s e d p a r t l y b y a d i f f e r -e n c -e i n t -e m p -e r a t u r -e b -e t w -e -e n t h -e t u n n -e l w a t -e r ( n o t c o o l -e d ) a n d t h e v a p o u r v e s s e l , p a r t l y b y i n a d e q u a t e d e a e r a t i o n o f t h e v e s -s e l . H o w e v e r , a l -s o t h e c a l c u l a t i o n o f ( T may h a v e b e e n i n e r r o r t o some e x t e n t . T h e o b s e r v e d d i s c r e p a n c y h a s no i n f l u e n c e on t h e p r e s e n t c o n c l u s i o n s . 9o R E Q U E S T S ] ) A D D I T I O N A L I N F Q R H A T I O N .

r

6)

(5)

22cm

1 , L i n d g r e n , H o "A P r o p o s e d P r o g r a m f o r C o m p a r a t i v e C a v i t a t i o n T e s t s " » F i l e K 6 4/ 3 0 . 1 1 . 1 9 6 4 ; S S P A , Q o t e b o r g . 2 o R o u s e , H. a n d McNown, J . S . " C a v i t a t i o n a n d P r e s s u r e D i s t r i b u t i o n ; H e a d F o r m s a t Z e r o A n g l e o f l a w " . S t a t e U n i v . o f I o w a 1 9 4 8 .

TABLE

1 . 1

P r e s s u r e C o e f f i c i e n t s and C a v i t a t i o n Number x 103

R e l a t e d t o W a l l P r e s s u r e i n S e c t i o n

5;

t e s t

25

-11

R e c o r d n o .

6

7

C

9

10

11

C o n d i t i o n

O

O

O

©

0

₃

®

0

S e c t i o n :

1

046

046

₀₄₅

₀₄₅

046

038

046

O U

054

2

021

021

021

021

021

008

019

021

019

3

010

010

012

012

012 - 0 0 6

010

Oio

006

4

004

004

006

006

004 - 0 0 6

_UO4

₀₀₄

5

0

u

0

u

0

6

-00Ö

-008

-008 - 0 0 6 -008 -008 -008 -006

7

- 0 1 9

-019

- 0 2 1 -019 - 0 1 9

-025

- 0 2 1 - 0 2 1 - 0 1 9

N o z z l e

452

454

456

452

451

452

T u n n e l s t a t i c

w i t i i o u t model

073

076

08

0

₀₇₃

₀₇₁

₀₇₃

liake

-410 -412 -414

-373 - 3 3 2 - 1 5 1 - 2 8 6 - 3 6 4 - 4 1 4

Vapour

( m e a s u r e d )

friodel t a p

- 5 4 0

- 5 7 5

-571 -539

- 3 1 4 -473 -572 -594

(Ty f r o m H

Temp. °C

2 5 . 3

oc/a^

0 . 4 1 - 0 . 3 6

( U

) ^ m/sec

7 . 6 8 7 . 6 6 7 . 7 4 7 . 7 4 7 . 7 1 7 . 6 8 7 . 7 1 7 . 7 0 7 . 6 8

O

No c a v i t a t i o n

© I n c i p i e n t c a v i t a t i o n

3

Much n o i s e

% L a r g e c a v i t a t i o n

TABLE

1 . 2

P r e s s u r e C o e f f i c i e n t s and C a v i t a t i o n Number x

103

R e l a t e d t o W a l l P r e s s u r e i n S e c t i o n

5;

t e s t

3 Ü - 1 1

R e c o r d n o .

₁₃

18

20

22

₂₃

24

25

26

27

Condition**"

0

0

0

• •

®

0

•

S e c t i o n :

1

Ü42

044

043

043

041

037

044

044

041

020

023

018

018

016

009

023

021

017

1

013

O i l

O i l

010

008 -002

013

O i l

010

005

005

Ü05

004

004

000

005

005

004

5

0

0

0

0

0

0

6 .

-007 - 0 0 7 - 0 1 0 - 0 1 0

-008

- Ü 0 7 - 0 0 7

- o i l

7 .

_{-020 - 0 2 0 -022 - 0 2 5 - 0 2 1 -022 -020 - 0 2 0 -023}

«:

j»

N o z z l e

₄₅₆

_{461 457 459 455 461 457 457 455}

«:

j»

T u n n e l s t a t i c

w i t h o u t model

080

088

081

085

078

088

081

081

078

\¥ake

_{-412 -404 -367 - 3 2 4 -217 - 1 7 6}

_{-337 -361 -393}

Vapour

( m e a s u r e d )

_.833

-848 -518

—

_{-213 -173 - 3 8 6 - 5 0 5 -722}

i>iodel t a p

_{-553 -562}

_-555

- 5 2 1

-357

- 2 9 6 -485 - 6 2 1 - 5 8 I

(Ty

f r o m H

—

882

539

406

241

214

428

₅₄₇

780

292

Temp. °C

_{2 3 . 1}

«As

Ü . 3 8 - 0 . 2 9

(11)5

m/sec

7.^0

7.77 7.77 7.76

7.74

7.74

7.74 7.74

7 . 7 0

^ S e e T a b l e

1 . 1

TABLE

1,3

P r e s s u r e C o e f f i c i e n t s and C a v i t a t i o n Number x

10^

R e l a t e d t o W a l l P r e s s u r e i n S e c t i o n

5;

t e s t

7-12

R e c o r d no.

₃₇

₄₁

42

43

44

45

46

48

49

( 7 0 )

C o n d i t i o n

0

0

0

₀

3

0

©

S e c t i o n :

1

₀₄₃

₀₄₃

₀₄₃

₀₄₁

₀₄₅

₀₃₉

₀₄₃

₀₄₃

₀₅₂

2

021

019

019

021

017

019

021

022

010

010

010

O i l

₀₁₃

₀₀₇

O i l

O i l

013

004

004

004

004

006

004

006

004

-v

5

0

0

0

0

0

0

u

- 0

6

-010 .

-Ü08 •

-010 .

- o i l •

-009 •

-013 .

- o i l •

_{-009 •}

_-007

7 '

-023 •

-Ü18 •

-023 •

-021 .

-017 •

-021 .

-021 •

-019 •

-017

N o z z l e

458

457

455

455

₄₅₇

455

c r?

"

<

>

0

*^ ,0

•*> -c

T u n n e l s t a t i c

w i t h o u t model

083

081

078

078

086

076

078

080

c r?

"

<

>

0

*^ ,0

•*> -c

Wake

_{- 3 8 8 -403 -397 -356 -285 -207 -239 -352 -395}

Vapour

( m e a s u r e d )

_{- 7 0 4 -753 -756 -425 - 3 1 5 -198 -247 -438 -767}

I'bdel t a p

_{-555 - 5 3 1 -533 -502 -473 -388 -428 - 5 1 9 -572}

f r o m H

₄₇₉

₃₄₉

₂₄₀

₂₉₀

₄₈₉

₈₄₀

₅₆₃

Temp, °C

_{2 5 . 3}

_{2 6 . 9}

( U

) ^ m/sec

0 , 1 3

- 0 . 1 4

7 . 7 4

7 . 7 3

7 . 5 8

7 . 5 6

7 . 5 7

7 . 5 8

7 . 5 5

0,24¬

0 , 2 6

^ S e e T a b l e

1 . 1

(77 (pf^oM /f. G/QUSE)

R£Co/^D£D 3UB&LE

F i g , \ 4 o M i n i m v u r t - , p r e s s u r e a t t h e n o d e l c o m p a r e d w i t h v a p o u r i s u r e , a e r o p r e s s u r e a n d w i t h t h e p r e s s u r e i n a p a r a t e d w a k e .

T E C H N I S C H E HOGESCHOOL D E L F T W e r k p l a a t s t e c h n i e k

P r o f , i r D.A.A. K o o i e n

M E T I N G E N VOOR : ,<:f.<?./...K....^c>f

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DATUM VAN DE OPDRACHT :. . / y > . / < ' . " . / . ^ . . ^ ? - . . . ^ . . 4

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M E T I N G E N AAN:

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M E E T I N S T R U M E N T : . ..

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MEETMETHODE E N R E S U L T A T E N VAN DE M E T I N G E N :

A P P E N D I X 1,

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-M A D E I N E N G L A N D 1 1 2 / 3 3 8 M A D E I N E N G L A N D

231-T H E R A N K O R G A N I S A 231-T I O N . R A N K 231-T A Y L O R H O B S O N D I V I S I O N V N K O R G A N I S A T I O