空化效應
關注創建者：abaqus水下爆炸 創建時間：2019-02-13
空化效應的視頻教程
Abaqus艦船水下爆炸損毀效應模擬
由于是近場爆炸，時間較短，空化效應和氣泡脈動載荷可以忽略，主要考察沖擊波造成的毀傷效應。 本工作展示了當爆炸點距離爆距點由遠及近時，艦船逐漸嚴重的毀傷模式。視頻中運用“散波”法進行模擬。
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LS-Dyna 水下爆炸之流固耦合應用篇
提升后處理能力； 3.LS-Dyna一般求解流程，K文件提交； 4.提升多軟件聯合建模仿真能力，大大提升工作能力； 5.介紹*INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEMOETRY關鍵字卡片含義，熟練掌握該關鍵字在ALE模型的應用，大大降低科研人員在模型前處理中的工作量，提升工作效率； 課程介紹 第一課： 1.介紹水下爆炸分析方法、炸藥爆轟過程、沖擊波傳播過程、氣泡脈動形成過程和空化效應等
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空化效應的實例教程
水下爆炸大致可以分為四個主要過程：</p><ol><li>炸藥的爆轟，</li><li>沖擊波的形成和傳播，</li><li>氣泡的脈動和上浮，</li><li>以及沖擊波在與自由水面和結構的相互作用下產生的空化，由此對結構造成的二次加載。</li></ol><p>簡而言之，水下爆炸主要是通過直接接觸的爆轟，以及后續產生的三種主要非接觸的爆炸載荷沖擊波、氣泡和空化對周圍物體造成的毀傷。</p><p><br></p><p>水下爆炸往往會引起非常嚴重的后果，因此，對比試驗，數值仿真是非常安全高效的研究方法。</p><p><br></p><p>Abaqus中提供了兩種計算水下爆炸問題的方法：“散波”法和“總波”法。“總波”法爆炸點須位于水域模型的外部，且它可以考慮到空化效應的影響，所以總波法比較適合模擬中遠場爆炸。在近場爆炸中，由于爆炸時間短，氣泡脈動和空化產生的加載可以忽略，主要是考察沖擊波造成的結構毀傷效應，所以可以采用“散波”法進行模擬。</p><p><br></p><p> </p><p><strong>有限元模型建立</strong></p><p>本文使用SolidWorks創建一艘簡易的交通艇3D模型，并且創建半徑近似船半寬6倍的水域模型，以此模型分別采用“散波”法和“總波”法模擬炸藥在不同爆距下，交通艇毀傷情況。前處理采用HyperWorks對模型進行網格劃分，后續再導入Abaqus進行設置和計算。
展開 摘 要:［目的］旋轉空化器是通過高速旋轉的葉片在水中產生超空泡來滿足不同工程實際應用需求，有必要對葉片形狀進行改良設計以提高其工作性能，探究葉型改良對空化器水動力學特性的影響。［方法］首先，針對旋轉空化器楔形葉片的原始葉型進行改良設計，建立葉片改型前、后旋轉空化器的三維幾何模型；然后，基于 ANSYS Fluent 軟件對原始葉型和改良葉型空化器在不同轉速下的自然空化流場開展數值仿真計算；最后，根據計算結果對二者的水動力學特性進行對比分析。［結果］結果顯示，相比原始葉型，改良葉型產生的空泡除存在于葉片出口邊外，還可以存在于副進口邊，這兩部分的空泡會隨著轉速的升高而逐漸連接成一個整體，因而改良葉型空化器產生的空泡尺寸更大，產生的自然空化更強；改良葉型在葉根處產生的空化效應較強，而原始葉型在葉尖處產生的空化效應更強；當轉速較高時，改良葉型產生的空泡會與旋轉空化器裝置的四周壁面接觸，導致空泡尾部形態沿半徑呈直線型變化。［結論］所做研究可為旋轉空化器的設計和應用提供重要參考。
關鍵詞：旋轉空化器；水動力學特性；改良葉型；自然空化；數值模擬
0 引 言
空化現象最早發現于船舶螺旋槳上，由該現象所帶來的噪聲、振動和空蝕破壞等負面影響對船舶性能提出了巨大挑戰[1]，如何使空化現象穩定可控，已成為眾多學者關注的問題。根據伯努利方程，當物體在水下以足夠高的速度運動時，其周圍流體的局部壓力會下降，當降至飽和蒸汽壓以下后，流體會發生汽化從而產生空化。隨著物體速度的進一步增大，空化區域（空泡）將擴大從而形成包裹物體的超空泡[2]。
展開 一、模型情況
如下圖所示的離心泵，模擬內流場和空化效應。
二、網格情況
作為演示，使用簡單的全局非結構網格。全局和局部網格情況如下。
三、固液兩相流仿真基本設置
1.穩態計算
固液兩相時，考慮重力。
作空化仿真時，不用考慮。
2.設置湍流模型
使用標準KE湍流模型。
3.設置兩相材料
此處設置為水和作為擬流體的沙。
4.使用歐拉兩相流模型
并將上述兩相材質分別賦到兩相成分上。
5.設置動域轉速320r/min
6.設置葉片轉速
使用相對速度，相對所在域的轉速為0r/min.
7.設置入口條件
8.設置出口條件
9.設置交界面
10.初始化后開始計算
11.空化仿真基本設置
進行空化仿真時，多相流模型需要使用Mixture模型；
需要添加氣相材料。并定義液相到氣相的空化效應；
四、基本結果
1.兩相流仿真結果
2.空化仿真結果
氣相分布圖
展開 超聲波MGPS是利用超聲波振動性質和空化效應產生大量小氣泡，當小氣泡破裂時，會在周邊形成瞬間高壓和高溫，可以使海洋生物形成的附著物迅速剝落并擊碎生物的表皮細胞，能夠有效抑制海洋生物的附著和生長，保護船體、海水管線及相關設備，具有環保、節能、易于維護等優點。
表一 三種MGPS對比
裝置類型
電解海水裝置
電解銅鋁裝置
超聲波防海生物裝置
基本原理
電解海水產生NaClO、HClO和Cl2，有效氯能殺滅海水中幾乎所有的細菌和海生物。
通過銅陽極在海水中電解，產生微量銅離子，銅離子能有效抑制海生物在海水管系重點生長。
利用超聲波在水中的空化效應，殺死海生物。
特點
安全穩定，技術成熟。
結構簡單，安裝方便。
安全穩定，安裝方便，適用范圍廣。
關鍵技術
有效氯濃度控制，濃度低無法殺死海生物，濃度高會加劇管線腐蝕。
銅離子濃度過低無效，海水用量大時，陽極消耗增加。
根據實際情況設計超聲波裝置布局方式及裝置數量。
缺點
耗電量大；陽極容易結垢，燒毀電極。
需定期更換銅棒、鋁棒，維護費用較高。
超聲波的空化效應會加速管線腐蝕，剝落傳統的防腐涂層，需配合特定的防腐涂層使用。
費用
初期投入費用較高，運行費用較高。
初期投入費用較低，維護成本較高。
展開 超聲輔助激光熔覆利用高能超聲波在熔體中產生的非線性效應，如超聲空化和聲流效應等，來改善熔池內增強體與熔體的潤濕性，促使增強體在熔體中均勻分布。同時，聲流攪拌作用將空化效應產生的晶核擴散至整個熔池中，有效提高了形核率，均化了溫度梯度和成分分布，降低了偏析程度。這種結合了激光熔覆和超聲振動的技術，可以提高熔覆層的質量和性能。
本案例展示了超聲輔助下激光熔覆的動態過程，仿真結果如圖所示：
該仿真模型考慮了溫度場+流場+超聲場+動網格技術，感興趣的朋友，歡迎交流合作！
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2、超聲波清洗技術
利用20-40kHz高頻聲波產生的空化效應，形成微射流沖擊塑件表面，深入縫隙剝離油污和灰塵。該技術操作簡單，對塑件表面無損傷，適合復雜結構件（如帶凹槽的塑膠外殼、精密齒輪）的批量清洗，常配合水基或溶劑基清洗液使用，清洗時間5-30分鐘即可見效。
超聲輔助激光熔覆利用高能超聲波在熔體中產生的非線性效應，如超聲空化和聲流效應等，來改善熔池內增強體與熔體的潤濕性，促使增強體在熔體中均勻分布。同時，聲流攪拌作用將空化效應產生的晶核擴散至整個熔池中，有效提高了形核率，均化了溫度梯度和成分分布，降低了偏析程度。這種結合了激光熔覆和超聲振動的技術，可以提高熔覆層的質量和性能。
</strong></p><p><br></p><p>隨著爆距的不斷增大，空化效應對結構毀傷的影響不再是不可忽略，對此，采用“總波”法模擬在爆距40米的工況下，模擬出船體毀傷情況。
相比較而言，改良葉型在葉片根部位置產生的空化效應較強，而原始葉型則在葉尖處產生的空化效應更強。
但與此同時，需要控制等離子體的屏蔽效應（等離子體對入射激光能量的屏蔽）；氣泡空蝕效應（空化氣泡潰滅時，形成高溫高速液體射流）。試驗一再表明，該工藝的水冷卻效應（帶走熱量累積，減小熱損傷）是顯著的，使用納秒激光，就有望實現接近零熱影響的孔加工。
圖5.
圖15 推進器效率隨弦徑比變化曲線
選擇=0.6時的工況, 螺旋槳的尾流如圖16所示, 從圖中可知, 由于后置定子的影響, 螺旋槳槳轂尾流收縮現象明顯改善, 避免了能量在此處的消耗, 同時消除了此處的低壓區, 降低了空化效應, 如圖17所示。后置定子使得螺旋槳尾流的部分周向運動轉變為軸向運動, 整體效率增大。
對于某些高壓工況，控制閥門的配合情況以及空化效應對于系統的影響也得到了細致分析；對于主軸軸承和軸瓦間間隙處潤滑效果的模擬也取得了有益的結果。以下是部分過程圖片。
在計算模型方面，液動隔膜泵往往需要模擬泵內的空化效應，這對計算模型的收斂性和魯棒性均提出了要求。部分隔膜泵為雙泵模型，結合單向閥的進出匹配性特征需要評估，在建立CFD模型時網格數量、時間步長等均對求解器的效率提出了要求。
目前來看，具有相當大的技術難點：
1、轉子區域為大變形區域，需要建立高質量的結構網格；
2、需要考慮陰陽轉子之間極微小的嚙合間隙；
3、需要設置轉子部分的動網格，描述由于轉子流體域大變形所引起的流場變化；
4、對于雙螺桿壓縮機，需要同時對流場的動力學和熱力學特性（泄露、傳熱，排氣孔口流動）的過程進行研究；
5、對于雙螺桿泵則需要考慮流場內部的空化效應
大功率超聲還可使人體局部加熱，并且超聲波的振動可進人體，因此，熱效應、振動效應以及由強振動引起的空化效應均可以用于治療疾病，促進藥物擴散。甚至用于外科手術，如眼科手術、骨骼修復，腫瘤消除等等。
