作者：Wout Poncelet，Cadence 產品工程經理

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氣蝕是一種現象，其中流體壓力的快速變化導致在壓力相對較低的地方形成充滿蒸汽的空腔或氣泡。由于氣泡在承受較高壓力時內爆，可能會導致結構損壞，但也會導致不穩定和噪音增加。盡管如此，它仍然是 CFD 工程師必須解決的最具挑戰性的主題之一。它發生在許多領域，例如船用螺旋槳、水翼、魚雷、泵等。許多出版物都涵蓋了該主題，有時從另一個角度，從空化開始到其實際物理建模，使用實用的方法或更復雜的模型。Cadence 希望通過這篇博客文章分享其一些專業知識， 總結最先進的 CFD 技術 用于氣蝕預測并涵蓋不同的應用和 CFD 功能，以滿足工程師的需求。

空化起始

為了最初研究空化的產生，工程師可能會傾向于只查看 3D 場中的壓力水平。標記出總壓力標量場低于蒸氣壓的所有位置，以便可以計算可能發生空化的總體積。這種方法無法準確預測空化及其后果，但它已經可以提供良好的洞察力。這就是 Naval Group 的 Sirehna 在 2016 年 Nutts 出版物中所做的。無論選擇哪種方法，精確的壓力場都是必要的。因此，他們使用了動態和局部細化的網格方法，其中壓力粗麻布是最重要的。

無局部細化（左）和動態網格自適應（右）

空化建模

為了模擬空化的物理現象，第一種方法使用單一流體方法。密度和靜壓的演變通過強大的正壓定律聯系起來，從而能夠對空化現象進行宏觀模擬1。用戶輸入很少，并且不需要額外的傳輸方程。正壓定律用于評估作為單元中局部靜壓函數的局部密度。根據密度的局部值和相應的蒸氣壓，計算單元可以被認為完全充滿液體（= L）、蒸氣（= V）或兩者的混合物?；居嘞液瘮荡_定混合區域中正壓定律的輪廓。

在下面的例子中可以很容易地理解正壓定律方法，它顯示了密度和局部壓力之間的直接關系。事實上，我們可以看到，當壓力低于飽和壓力時，在使用正壓定律的情況下，局部密度如何下降到蒸氣和液體的混合物。

在 CFD 中模擬空化的另一種方法是求解蒸汽質量或體積分數的附加傳輸方程。存在 Singhal3、Zwart4、Tani5、Merkle6、Kunz7、Sauer8 等不同模型。該模型將壓力與飽和壓力相關聯，以確定基于氣泡動力學瑞利-普萊塞方程的源項。當然，它們需要仔細處理和驗證其系數?？梢园嵝?。

當需要非常精確地描述壓力和焓函數的密度時，建議使用熱力學表。熱力學表包含特定流體的真實熱力學性質。它們被引入混合物的納維-斯托克斯方程中，并提供真實流體的建模，同時考慮飽和壓力的正確熱敏性。

外部空氣動力學應用

正壓定律的一個簡單應用是 45 度圓錐體上的空化流，正如 Rouse 和 McNown 在 1948 年所研究的那樣?？栈脑黾佑奢^低的空化數決定，反映在壓力系數分布的流向分布中。正壓定律提供了空化流解的準確預測。

渦輪機械應用 

典型的氣蝕應用是生成泵的 NPSH-Head 曲線。該曲線顯示了泵的揚程將如何隨著凈正吸入揚程 (NPSH)（泵的入口壓力與蒸汽壓力之間的差值）而降低。通過分析下面的曲線，泵用戶可以獲知氣蝕的開始情況，以及在氣蝕變得過于強烈之前，他們可以在特定的工作點操作泵（通常稱為 NPSHr，例如，對應于 NPSHr）。 3%）。高氣蝕現象是泵產生的揚程的巨大損失。對于 NPSH（所用系統的函數）和 NPSHr（所安裝泵的屬性），使該 NPSH 高于 NPSHr 至關重要，以避免泵損壞和無法忍受的噪音。  

NPSH 揚程曲線可以通過在泵的定義工作點逐步增加蒸氣壓來進行數值計算。蒸汽壓的增加將導致 NPSH 減小、氣蝕面積增大，并且當氣蝕變得過于廣泛時泵揚程下降。下面給出了 SHF 泵的示例。人們可以看到泵葉片前緣處的氣蝕如何增加，而 NPSH 則不斷減小，直到覆蓋了葉片的一大部分。

網格劃分策略

所有這些測試用例都有一些共同點：由于我們正在尋找局部流動特性、壓力梯度、薄層或空化氣泡，因此必須具有密集且均勻的網格。如果沒有這樣的網格，正確的物理很容易丟失，甚至無法捕獲。此外，大多數時候，空化是一種不穩定的現象，因此很難預測。它將位于哪里？會有多激烈？諸如此類的問題就是為什么要實施基于空化準則的動態網格自適應。在模擬過程中，解算器會在必要時調整網格并進行細化，以揭示過于粗糙的網格上是否存在空化。

結論

這篇文章的主要信息是，根據目標選擇正確的道路至關重要。意識到氣蝕的存在就足夠了嗎？是否應該考慮性能預測？建模應該有多準確？這些問題的答案將導致不同的網格尺寸和許多需要求解的方程。CPU 時間將受到相應影響。網格密度和均勻性在所有情況下都是至關重要的，不能被忽視。

好消息是 Cadence 提供了廣泛的工具來模擬空化，并附有針對許多應用的指南。

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文章來源：cadence博客