空化效應的案例
基于Abaqus的水下爆炸仿真
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 改良楔形葉片旋轉空化器水動力學特性數值模擬分析
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 #253 FLUENT案例-離心泵固液兩相流和空化仿真
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 淺談船舶污底說明！
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 
超聲輔助激光熔覆數值仿真
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！
泵仿真：隔膜泵的流體仿真方案
▲變形區域定義
4.3 物理模型
根據液動隔膜泵的運行特征，Simerics MP+調用如下物理模型：
湍流模型
全空化模型
4.4 隔膜泵流場仿真效果展示
下方為隔膜泵內空化效應預測和流場壓力動畫，隔膜泵進出口閥門匹配性不好的情況下，泵內的流動損失、空化等均會比較嚴重，本案例中泵閥的匹配性有待優化。
浙江大學黃品同教授和申有青教授團隊AFM：首個超聲空化級聯胞吞轉運的相變脂質體，普適高效治療低滲透性腫瘤
經尾靜脈注射后，在腫瘤部位超聲輻照（功率2 W/cm2、頻率3 MHz、占空比 50% ），全氟戊烷在超聲誘導下液氣相變，使納米脂質液滴狀態的SCGLN轉變為脂質微泡狀態的SCGLN，此時微泡的超聲空化效應打破腫瘤血管內皮屏障、擴張內皮間隙，同時微泡破裂后的脂質膜碎片重新組裝成更小粒徑的納米脂質體SCGLN，SCGLN隨后經被擴張的內皮間隙進入腫瘤組織，在腫瘤微酸環境中發生電荷反轉實現陽離子化，SCGLN最后以陽離子化誘導的胞吞轉運方式不斷跨腫瘤細胞主動運輸到腫瘤實質，實現吉西他濱的腫瘤深部滲透遞藥（圖1B）。
圖1. SCGLN的構建、響應機理和遞藥機制示意圖。
實驗結果顯示：在皮下和原位胰腺癌動物模型中，SCGLN均具有優異的腫瘤富集和深部滲透遞藥特性；胰腺癌腫瘤血管滲透實時成像中，超聲輻照時SCGLN能夠快速從腫瘤血管腔彌漫進入腫瘤外圍并不斷深部滲透腫瘤實質；采用掃描電鏡分析血管超微結構，SCGLN在腫瘤血管內經超聲輻照后，血管內皮細胞間隙被顯著打開；在胰腺癌和腦膠質瘤動物模型的腫瘤治療實驗中，SCGLN普適高效抑制腫瘤生長，具有顯著優于化療藥吉西他濱的抗腫瘤效果。
該研究針對納米藥物在低滲透性腫瘤富集低和滲透差的問題，提出超聲空化效應級聯胞吞轉運作用克服血管內皮細胞/腫瘤微環境屏障的主動運輸策略，增強納米藥物的腫瘤富集和深部滲透，普適提高納米藥物對低滲透性腫瘤的治療效果。
展開 【技術分享】獨一無二的螺桿機械仿真技術！
技術難點
螺桿機械的轉子結構非常復雜，對其進行CFD分析是一項高技術含量的工作，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；
6、需要考慮由于流場擾動引起的流致振動及噪聲。
螺桿機械仿真解決方案
針對上述技術難點，為解決螺桿機械的CFD分析難題，倫敦城市大學找到了Simerics公司，SCORG+Pumplinx的聯合解決方案應運而生。SCORG是專業螺桿機械型線分析及前處理軟件，可以制作螺桿機械高質量結構網格。Pumplinx是專業運動機械CFD仿真軟件，具備各種專業的物理模型及強大的求解能力。
圖1 SCORG+Pumplinx聯合解決方案
螺桿機械數值分析案例
在進行螺桿機械的性能分析時，客戶往往不能滿足于一維的熱力學預測，而希望能對螺桿壓縮機或泵進行更為詳細的三維CFD數值分析，獲得螺桿機械流場的壓力、速度、溫度以及空化預測，以及更為精確的性能特性曲線。
聯合SCORG與PumpLinx即可實現螺桿機械的三維非定常數值分析。
下圖為某雙螺桿壓縮機的三維模型，提取后的流體域部分由吸入段、排出段和轉子部分構成。
圖2 雙螺桿壓縮機幾何模型
SCORG為專業的雙螺桿機械型線分析和前處理軟件，通過輸入雙螺桿機械陰陽轉子型線數據和齒數、節距及軸徑等相關參數，即可自動生成雙螺桿壓縮機轉子部分結構網格。
展開 救生艇高空滑落入水流固耦合計算以及安全性能評估
l 通過設置流體狀態方程的截斷壓力，可以粗略的描述尾部的空化效應[31]。
l 通過拉格朗日-歐拉罰函數耦合算法定義結構-流體間的相互作用，可以傳遞流體的壓縮和膨脹引起的壓力變化，故可以計入水上迫降尾部的伯努利效應[31]。
其缺點表現為；
l 拉格朗日-歐拉罰函數耦合算法通過流體滲漏和接觸剛度定義流體-結構之間的相互作用力，極容易引起流體滲漏。
l 流體壓力和結構壓力載荷不統一，通過壓力傳感器單元采集到的壓力信號波動較大，并且壓力在相鄰空間的分布連續性很差。
安全性評估報告見
http://www.yqgqt.org.cn/content/post/265800
展開 4個案例帶你深入了解發動機的CFD分析
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。
圖1 潤滑系統幾何結構
圖2 PumpLinx系統仿真模型
圖3 3D閥門的瞬時工作情況模擬
圖4 系統壓力分布
圖5系統空化體積分數分布
2、PumpLinx在16缸發動機潤滑系統仿真中的應用
該案例來自凱特比勒公司，如下圖所示，該16缸發動機潤滑系統由油泵、控壓閥，過濾器，冷卻器，主油道和連桿油膜等眾多部件組成。其網格總數600萬，計算時間為9小時每轉。
圖6 V-16發動機潤滑系統三維仿真計算模型
圖7 V-16發動機潤滑系統各部件的網格
圖8 V-16發動機潤滑系統整體網格
本系統級仿真采用瞬態計算，潤滑油的物性參數如下表所示。
表1 滑油物性
齒輪轉速采用恒定轉速，即1.33倍的發動機轉速；本案例中對于軸承變形也做了細致分析，由動力學分析獲得軸承的變形規律，在PumpLinx中作為已知條件進行輸入，以動網格進行描述。壓力調節滑閥的位移計算是根據流體與結構的相互受力平衡確定，閥芯質量是5kg，彈簧彈性系數是93800N/m，預緊力是2130N。
展開 表面處理技術分享（第二十講：塑件的表面處理方法匯總簡述）
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。
二、表面改性技術
針對PP、PE等非極性、低表面能的塑件（表面張力僅29-31 dynes/cm），表面改性技術通過激活表面分子，提升表面附著力，是噴涂、粘接前的關鍵步驟。
1、電暈處理技術
通過針狀與平板電極產生等離子體，使塑件表面交聯、粗糙，快速提升表面張力。處理速度快（0.5-5m/s），可在線連續作業，適合塑料薄膜、片材等平面材料，廣泛用于包裝行業的印刷預處理，成本低且效果穩定。
2、火焰處理技術
將塑件表面暴露在800-1200℃的受控火焰中，通過氧化作用激活表面，引入羥基、羧基等極性基團。處理速度極快，適合PP、PE等低表面能材料的批量生產（如汽車保險杠、塑膠管材），但需精準控制火焰距離（10-30mm）和速度，避免基材過熱。
3、等離子體改性技術
與等離子清洗原理類似，但更側重表面分子結構改性：通過氬氣等離子體物理刻蝕形成微粗糙面，或通過氧氣、氨氣等離子體引入極性基團。處理時間短（幾秒到幾分鐘），改性效果均勻，適用于ABS、PC等工程塑料的精密處理，尤其適合要求高附著力的涂層工藝。
三、涂層與裝飾技術
1、噴涂技術
借助噴槍將涂料霧化后均勻附著于塑件表面，經固化形成防護裝飾層。可分為手工噴涂（適合小批量、復雜形狀）和自動噴涂（適合大批量生產），涂料類型包括水性涂料（環保）、溶劑型涂料（光澤好）、UV固化涂料（固化快）。
展開 
聲學在科學技術中的十大作用（上）
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。
（ 本文分三次連載）
作者簡介
張淑儀，1956年畢業于南京大學物理系，后留校攻讀聲學專業研究生，1960年畢業留校任教，并長期從事超聲物理和光聲科學研究。1985年曾應邀為美國韋恩大學訪問副教授、1988年和1990年曾分別應邀為法國巴黎理化學院和日本東京大學訪問教授。1991年當選為中國科學院院士。自1992年-2001年任南京大學聲學研究所所長，現（曾）任中國聲學學會副理事長，江蘇省聲學學會理事長，國際光聲光熱常務理事會理事，國際理論物理中心顧問，國際無損評價中心聯合會理事。
展開 主流CFD仿真軟件概述與比較--CAE工程師必讀
雖然通用CFD軟件方興未艾，但由于CFD技術在數值理論（N-S方程不封閉、非線性偏微分方程求解算法待完善）、物理模型（湍流模型、轉捩模型、燃燒模型等）、網格效應、驗證確認等方面的疑難，通用CFD軟件的應用仍存在局限性與較高的使用門檻，CFD仿真結果的精度與CAE工程師的水平具備明顯的關聯關系。
為了發揮CFD技術在工程領域的應用價值，專用CFD軟件順勢而生，諸如專注運動機械與泵閥模擬的PumpLinx、擅長自由液面分析的Flow-3D、通用并長于處理旋轉機械的NUMECA、電子產品熱分析專家FloTHERM、多相流反應器仿真利器Barracuda等，都在各自的領域獨樹一幟、傲視群雄。
對于葉片泵、容積泵、螺旋槳等運動機械而言，空化與汽蝕效應分析、動網格與微米級嚙合間隙的處理（對于齒輪泵、柱塞泵等容積式泵）是開展CFD模擬的難點。借助結構化動網格模板、全空化與汽蝕分析模型、半自動網格生成技術與高效的計算效率，專業CFD工具PumpLinx在此領域經歷了廣泛的工業驗證。此外，孤立研究單個部件，常難以給定真實的邊界并反應系統工作行為。開展系統級三維CFD分析遭遇網格劃分、大計算量的瓶頸。PumpLinx借助半自動化網格生成及動網格模板、計算效率高等特點，使系統級CFD分析成為可能。
對于循環流化床鍋爐、反應器、焙燒爐等實際工業設備，其中包含顆粒-流體流動，顆粒數量達到天文數字且密相-稀相并存，化學反應也極為復雜，Fluent等通用CFD軟件無法勝任。遇到該類問題時，CAE工程師往往會另辟蹊徑，選擇基于CPFD方法（強耦合的歐拉-拉格朗日方法）的Barracuda等軟件以解決難題。
展開 幾種化工廢水處理方法，看完豁然開朗
另外，在有紫外光的Fenton體系中，紫外光與鐵離子之間存在著協同效應，使H2O2分解產生羥基自由基的速率大大加快，促進有機物的氧化去除。
所謂光化學反應，就是只有在光的作用下才能進行的化學反應。該反應中分子吸收光能被激發到高能態，然后電子激發態分子進行化學反應。光化學反應的活化能來源于光子的能量。在太陽能利用中，光電轉換以及光化學轉換一直是光化學研究十分活躍的領域。80年代初，開始研究光化學應用于環境保護，其中光化學降解治理污染尤受重視，包括無催化劑和有催化劑的光化學降解。前者多采用臭氧和過氧化氫等作為氧化劑，在紫外光的照射下使污染物氧化分解；后者又稱光催化降解，一般可分為均相、多相兩種類型。均相光催化降解主要以Fe2＋或Fe3＋及H2O2為介質，通過光助-芬頓(photo——Fenton）反應使污染物得到降解，此類反應能直接利用可見光；多相光催化降解就是在污染體系-空穴對，吸附在半導體上的溶解氧、水分子等與電子-空穴作用，產生?OH等氧化性極強的自由基，再通過與污染物之間的羥基加合、取代、電子轉移等使污染物全部或接近全部礦質化，最終生成CO2、H2O及其它離子如NO3——、PO43——、SO42-、Cl——等。與無催化劑的光化學降解相比，光催化降解在環境污染治理中的應用研究更為活躍。
4、超聲波技術
超聲波技術，是通過控制超聲波的頻率和飽和氣體，降解分離有機物質。
功率超聲的空化效應為降解水中有害有機物提供了獨特的物理化學環境從而導致超聲波污水處理目的的實現。超聲空化泡的崩潰所產生的高能量足以斷裂化學鍵。
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圖11 前置定子翼型示意圖
圖12 螺旋槳空化抑制圖
由圖11和圖12可以看出, 隨著的增大, 呈現先增大后減小的變化趨勢, 并且在小于2%時, 變化特別顯著, 這是由于前置定子的非對稱度增大, 使得水流通過后由一部分軸向運動變成周向運動, 形成了預旋效應, 減輕了螺旋槳的負載; 當值達到3%時, 抑制率達到最大值, 說明此時的預旋效應與螺旋槳的螺距比恰好匹配, 達到了最優值; 隨后值繼續增大, 水流的周向半徑縮小, 小于螺旋槳的旋轉半徑, 使得兩者接觸后產生混流, 進而產生渦旋, 空化強度增大。
2.3 后置定子影響特性分析
通過在螺旋槳后面設置后置定子, 實現對螺旋槳尾流的整流處理。采用剖面為NACA-0024翼形的后置定子, 改變后置定子的弦徑比和距離螺旋槳末端的距離比, 分析不同定子結構對螺旋槳空化性能和水動力性能的影響。后置定子采用四葉式結構, 按“十”字形布置, 如圖13所示。
圖13 尾翼結構示意圖
設定弦徑比分別為0.2、0.4、0.6、0.8和1.0時, 分別對推進器扭矩和效率進行對比分析, 以3 kn進速, 2 800 r/m時螺旋槳的工況為例(如圖14和圖15所示)。
圖14 推進器扭矩隨尾翼弦徑比變化曲線
由圖14可以看出, 隨著翼板弦徑比的增大, 抵消的扭矩也越大, 但是變化梯度逐漸減小。由圖15可以看出, 隨著弦徑比的增大, 效率先增大后減小, 最優值處于=0.6~0.8之間。
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