1. 概念

流體中的聲波其實是一種壓力波，在液體中機械振動使其內部壓強發生變化，當壓力降低時候流體內部或者在一些流固界面上會出現結構斷裂從而形成空腔，這種形成空腔的過程便稱為空化。

常見的便是船舶螺旋槳在水中的剝蝕

手槍在水中發射

Fluent多相流模型中，無論哪個多相流模型(VOF、Mixture、歐拉等)，在質量傳輸界面都包含空化模型

Multiphase Model-Phase Interaction-Heat、Mass、Reactions

2. 模型描述

當流體流經銳邊孔板后，邊界層分離會引起的空化問題。流體由壓力驅動，進口壓力為5.0e5Pa，出口壓力為9.5e4Pa。孔板直徑為4e-3m，孔板幾何參數D/ D = 2.88, L/ D =4。其中，D、d、L分別為進口直徑、孔口直徑、孔口長度

3. 基本設置

3.1 導入網格：

使用Fluent軟件打開Chapter31.msh.gz網格文件，文件在本文末尾鏈接資源內。

3.2 修改模型尺寸

Scale Mesh-Scaling-Specify Scaling Factors

在下面的Scaling Factors中的X和Y都輸入20，表示X軸和Y軸都擴大20倍

注：Scale Mesh設置

1.上圖左邊Domain Extents表示的是模型在各維度上的尺寸，下面的View Length Unit in表示模型尺寸以什么單位顯示，這個選項只是顯示的不同，并不會改變模型大小。

比如，模型X方向2m，Y方向1m，View Length Unit in選擇cm，則Domain Extents顯示的是X方向200cm，Y方向100cm。只是單位改變了，但是模型尺寸并沒有變。

2.下面仔細說明一下Convert Units和Specify Scaling Factors的不同，兩種方法都可以真實的改變模型尺寸，但是方法有所不同。

3.Convert Units：是轉換單位，也就是同時改變X軸和Y軸的單位，改變了模型的大小。比如模型X方向2m，Y方向1m，選中Conbert Units，在Mesh Was Created IN下選擇cm，則Domain Extents顯示的是X方向0.02m，Y方向0.01m。

這里把本來的單位m改為了cm,但是因為View Length Unit in仍然是以m為單位顯示，因此顯示X方向0.02m，Y方向0.01m。

這種方法可以同時對X和Y軸進行縮小固定倍數，但是卻無法放大，也就是在上述操作模型尺寸縮小100倍后，無法使用上述方法使模型放大100倍。因此相對來說，第二種方法更好一些。

4.Specify Scaling Factors：指定縮放因子，當選中此項時，可在Scaling Factors欄下輸入縮放因子。比如X欄輸入2，Y欄輸入0.5，則表示模型X方向放大2倍，Y方向變為原來0.5倍?？蓪崿F第一種方法的所有功能。

3.3 求解器設置

基于壓力求解器，穩態設置，2D Space選擇Axisymmetric。參考公眾號文章十四Fluent 2D Space設置https://mp.weixin.qq.com/s/32yn0lvopuKUVF7s1_rJjA

4. 設置計算模型

4.1 多相流模型設置

選擇Mixture模型，不勾選Slip Velocity，單擊Apply。

高湍流不考慮氣泡的長大，因此不勾選重力。假定氣泡速度與液體的速度相同，不需要求解滑移速度。

4.2 湍流模型設置

選擇Realizable k-e模型，標準壁面函數，單擊ok

5. 材料設置

5.1 添加water

Materials-Fluid-Create/Edit...

在Materials下，單擊Create/Edit...，彈出如下面板。

Name輸入water-liquid，化學式輸入h2o，Density輸入1000，Viscosity輸入0.001。單擊Change/Create

5.2 添加水蒸氣

打開材料數據庫，選擇water-vapor，單擊copy

彈出water-vapor材料設置界面

Name輸入water-vapor，化學式輸入h2o-v，密度輸入0.02558，粘度輸入1.26e-06，單擊Change/Create

6. Phase設置

6.1 相設置

左邊Phases選擇Primary Phase，Name輸入water，Phase Material選擇液態水。單擊Apply

次相Name輸入vapor，Phase Material選擇water-vapor，Diameter輸入1e-05，單擊Apply

6.2 空化模型設置

選擇Phase Interaction-Heat,Mass,Reactions.

From Phase選擇water，To Phase選擇vapor，Mechanism選擇Cavitation。

注：Note that the phase you select for From Phase must be a liquid if you plan to select cavitation, evaporation-condensation, or boiling from the Mechanism drop-down menu。相變模型中From Phase必須是液體，To phase必須是蒸汽

6.3 Cavitation設置

選擇Schnerr-Sauer模型，輸入氣泡數量密度Bubble Number Density為1e+13，空化壓力為3540，當壓力達到3540pa時，液體氣化為蒸氣。

注：Schnerr-Sauer模型

Schnerr-Sauer模型用下列表達式將蒸汽體積分數與氣泡數聯系起來：

式中的nb即氣泡數量密度Bubble Number Density

空化理論此處簡單提及，后面會單出一篇文章介紹

7. 邊界條件設置

7.1 inlet邊界設置

選擇inlet，左下角Phase選擇mixture，設置為

Pressure Inlet。單擊Edit...，彈出如下頁面

Gauge Total Pressure輸入500000，

Supersonic/Initial Gauge Pressure輸入449000

Specification Method選擇K and Epsilon

Turbulent Kinetic Energy輸入0.02

Turbulent Dissipation Rate輸入1，

單擊Apply

注：此處出現的壓力含義可參考公眾號文章六Fluent出現的壓力大全解https://mp.weixin.qq.com/s/A68L7SJr8Whp_iOqaklwew

Inlet下的Phase選擇vapor，設置進口蒸汽體積分數為0，進口全是液態水。

7.2 outlet邊界設置

選擇outlet，左下角Phase選擇mixture，設置為

Pressure outlet。單擊Edit...，彈出如下頁面

Gauge Total Pressure輸入95000，

Specification Method選擇K and Epsilon

Turbulent Kinetic Energy輸入0.02

Turbulent Dissipation Rate輸入1，

單擊Apply

outlet下的Phase選擇vapor，設置回流蒸汽體積分數為0。

注：回流設置只有在流動出現回流時才會生效

7.3 axis邊界設置

選擇axis，左下角Phase選擇mixture，Type設置為axis，此邊界為旋轉軸

7.4操作條件設置

在邊界條件設置界面下方，單擊Operating Conditions，彈出如下界面。將操作壓力設置為0

8. 求解方法

8.1 求解方法

Solution-Solution Methods

Pressure-Velocity Coupling-Scheme選擇Coupled，

Pressure離散格式選擇PRESTO!

Momentum和Volume Fraction選擇QUICK

Turbulent Kinetic Energy 和Turbulent Dissipation Rate選擇一階迎風格式

勾選Pseudo Transient和High Order Term Relaxation.

8.2 求解控制

Solution-Solution Controls

Volume Fraction設置為0.3，其他保持默認

8.3 殘差設置

將continuity, x-velocity, y-velocity, k,和 epsilon殘差設置為1e-05

9. 初始化

選擇Hybrid Initialization

單擊More Settings...

勾選Use Specified Initial Pressure on Inlets，inlet邊界將被初始化為設置的進口壓力。相當于指定了混合初始化的部分數值，有利于收斂。

10. 計算設置

設置計算步長400步

11. 后處理

11.1 體積分數云圖

11.2 靜壓云圖

11.3 湍動能云圖

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