空化
關(guān)注創(chuàng)建者：兵荒馬亂 創(chuàng)建時間：2019-05-02
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作者Cadence CFD 解決方案
關(guān)鍵要點
流體動力空化是流體介質(zhì)在非常低的壓力下的破裂。
流體動力空化涉及三種機制：成核、氣泡生長和氣泡內(nèi)爆。
流體動力空化用于聚合和解聚、微生物細胞破碎和脂肪酸水解。
渦輪機是水動力空化應(yīng)用的一個例子
我們使用各種機器來引起流體的壓力和速度變化。這些機器的一些常見示例是渦輪機、螺旋槳、泵和軸承。在這些機器中，只要機器中使用的流體經(jīng)歷壓力和速度波動，就會發(fā)生氣蝕。流體動力空化是當?shù)蛪簠^(qū)域在流體裝置中發(fā)展并形成蒸汽空腔時發(fā)生的一種空化。
空化
泵、軸承和螺旋槳都使用與其運行相關(guān)的流體。每當流體的壓力和速度波動時，流體中就會產(chǎn)生空化現(xiàn)象。在空化中，壓力在恒定的環(huán)境溫度下下降到較低水平。
空化是一種兩相流體流動現(xiàn)象。通常，使用自由流空化數(shù)來描述空化。該數(shù)字是流體流動的靜壓頭與其動壓頭之比。
有趣的事實： 當在山頂使用水壺時，氣穴現(xiàn)象是在較低溫度下煮水的原理的背后原因。
氣蝕類型
空化用于廢水處理、藥物輸送、巖石切割、鋼板切割、船用螺旋槳和閥門等。通常，空化包括氣泡或空腔的產(chǎn)生、生長和快速破裂。空腔的坍塌會引起諸如高剪切力、極端溫度、沖擊波、湍流和流體中的極端壓力等影響。
在四種類型（粒子、光學、超聲波、流體動力）中，后兩種類型的空化被廣泛使用。
超聲波空化 -超聲波空化是由于超聲波在流體中傳播引起的壓力波動而產(chǎn)生的。超聲空化有時稱為聲空化。
流體動力空化 -在流體動力空化中，運動中的流體在速度剖面上發(fā)生快速變化，這會導致局部壓降。
展開 摘 要:［目的］旋轉(zhuǎn)空化器是通過高速旋轉(zhuǎn)的葉片在水中產(chǎn)生超空泡來滿足不同工程實際應(yīng)用需求，有必要對葉片形狀進行改良設(shè)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(zhuǎn)空化器楔形葉片的原始葉型進行改良設(shè)計，建立葉片改型前、后旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下的自然空化流場開展數(shù)值仿真計算；最后，根據(jù)計算結(jié)果對二者的水動力學特性進行對比分析。［結(jié)果］結(jié)果顯示，相比原始葉型，改良葉型產(chǎn)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(zhuǎn)速的升高而逐漸連接成一個整體，因而改良葉型空化器產(chǎn)生的空泡尺寸更大，產(chǎn)生的自然空化更強；改良葉型在葉根處產(chǎn)生的空化效應(yīng)較強，而原始葉型在葉尖處產(chǎn)生的空化效應(yīng)更強；當轉(zhuǎn)速較高時，改良葉型產(chǎn)生的空泡會與旋轉(zhuǎn)空化器裝置的四周壁面接觸，導致空泡尾部形態(tài)沿半徑呈直線型變化。［結(jié)論］所做研究可為旋轉(zhuǎn)空化器的設(shè)計和應(yīng)用提供重要參考。
關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)空化器；水動力學特性；改良葉型；自然空化；數(shù)值模擬
0 引 言
空化現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于船舶螺旋槳上，由該現(xiàn)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(zhàn)[1]，如何使空化現(xiàn)象穩(wěn)定可控，已成為眾多學者關(guān)注的問題。根據(jù)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(fā)生汽化從而產(chǎn)生空化。隨著物體速度的進一步增大，空化區(qū)域（空泡）將擴大從而形成包裹物體的超空泡[2]。
展開 當螺旋槳周圍流體的壓強降低到水的飽和蒸氣壓以下時, 將會出現(xiàn)空化現(xiàn)象[1-6]。空化現(xiàn)象產(chǎn)生的空化氣泡隨著水流進行運動, 當遇到高壓區(qū)或障礙物后會產(chǎn)生潰滅, 其特殊的內(nèi)爆特性使其潰滅時產(chǎn)生巨大的能量。空化氣泡的潰滅會對水下螺旋槳推進器產(chǎn)生一系列的危害, 比如導致螺旋槳加速腐蝕、加劇推進器的振動、提高水動力噪聲等。
溫亮軍[7]和齊江輝[8]等通過改變槳葉側(cè)斜、縱傾角以及槳葉剖面等參數(shù)來研究螺旋槳空化性能, 發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化設(shè)計槳葉剖面可以有效減少槳葉的空泡面積, 提高螺旋槳抗空化能力。李生[9]和彭云龍[10]等分別對帶有前置或后置定子的螺旋槳所建立的空化模型進行空化特性數(shù)值分析, 發(fā)現(xiàn)空化數(shù)小于3時, 空化區(qū)域?qū)⒖焖贁U散到整個槳葉面, 螺旋槳的推進效率逐漸降低。有學者利用大型空化水槽對螺旋槳空化噪聲的預測方法進行研究, 實驗驗證了標度法可有效預測螺旋槳空化噪聲[11-13]。Yilmaz等[14]利用自適應(yīng)網(wǎng)格法對名為The Princess Royal的船用螺旋槳葉尖渦空化起始和消失進行研究, 采用計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)方法, 針對特定參數(shù)的螺旋槳進行空化試驗以驗證仿真數(shù)據(jù)的準確性, 但并未對空化起因與抑制空化方法進行深入研究。以上研究的出發(fā)點均基于研究螺旋槳參數(shù)特性來優(yōu)化水動力性能, 以達到抑制空化的目的, 抑制效果不理想。
空化氣泡從產(chǎn)生到潰滅的時間很短, 在復雜流場結(jié)構(gòu)中很難清楚地觀察到流場內(nèi)部情況, 使得螺旋槳的空化流場結(jié)構(gòu)及空化氣泡的動力學性能存在盲區(qū)。CFD是一種以計算機計算為基礎(chǔ), 對流體傳質(zhì)傳熱等現(xiàn)象進行分析的方法[15-17]。
展開 其實你天天可以看到空化產(chǎn)生空泡，那就是燒開水，在一個大氣壓環(huán)境中，當溫度達到100度，水突然一起變成水汽，形成大量的空泡，這就是一種空化現(xiàn)象。
喜馬拉雅山峰上燒開水的溫度，請看下圖。喜馬拉雅的只有0.3大氣壓，對應(yīng)的水的飽和蒸氣壓是70度，所以在70度水就可以燒開了。
如果你要在室溫20度看到水被燒開，將水裝到一個密閉容器里抽真空，等氣壓降低到0.023個大氣壓，保證你可以看到在室溫水就開了。只是在一般情況下，無法產(chǎn)生這么低的壓強，所以你看不到常溫的江河的水自己沸騰變成空泡。
燒開水有兩種方法——加溫、降壓。
不同溫度下的飽和蒸氣壓（水可以燒開的壓強）
第三個問題
水中航行體的空化與空泡
其實你不想知道如何燒開水，你問的是：水中螺旋槳空泡、水中的高速超空泡等是如何產(chǎn)生的呢？既沒有把海水燒開，也沒有給大海抽空降低壓強啊,我們又如何解決水中航行體的空化產(chǎn)生空泡的問題。
水中螺旋槳產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)空泡
水翼空化產(chǎn)生空泡
這些空泡很麻煩，會降低螺旋槳和水翼的推進能力。空泡由無數(shù)個小泡泡組成，這些水下的小泡泡很不穩(wěn)定，會不斷破滅一點點沖擊表面，將表面的材料剝蝕，這就是著名的“空蝕”。如果你看到水中取出的螺旋槳或水翼上面好像被狗啃了，出現(xiàn)不規(guī)則的麻子和破損，就可以很專業(yè)地說空化很嚴重啊。
代表空化程度的最權(quán)威參數(shù)是空化數(shù)，空化數(shù)越小代表越容易空化。
空化數(shù)=（環(huán)境壓強-水燒開的壓強）/（1/2*速度平方*密度）
如果環(huán)境壓強等于水燒開的壓強，空化數(shù)=0，水完全空化就是沸騰。
如果環(huán)境壓強大于水燒開的壓強，空化數(shù)>0，水不會沸騰，但是會局部空化。
環(huán)境壓強越低、物體運動速度越快空化數(shù)越小，空化的情況越嚴重。
展開 wx_fmt=png" width="572"></p><p><br></p><p><br></p><p>Zwart-Gerber-Belamri model：多相流模型可選擇 mixture 和Eulerian</p><p><br></p><p>Schnerr and Sauer model：默認的空化模型，多相流模型可選擇 mixture 和Eulerian</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZyicx0PVj68NGNYRDdalWW2icLc8OJHNDEnqAnZDbAEv7DYrhFpnKg8knu6Xrxrz1maZIBtwwFvQU0vw/640?wx_fmt=png" width="452"></p><p><br></p><p><br></p><p><strong>2. 空化模型的特點</strong></p><p><br></p><p>特點1：系統(tǒng)必須包含液相和氣相，液相和氣相之間發(fā)生傳質(zhì)。在空化模型中，同時考慮了氣泡的形成（蒸發(fā)）和坍塌（凝結(jié)）。</p><p><br></p><p>特點2：對于空化模型，F(xiàn)luent定義從液體到蒸汽的傳質(zhì)為正值。由于fluent提供的空化公式按照這種方式定義傳質(zhì)的正負，因此空化模型的傳質(zhì)必須從液相到氣相。</p><p><br></p><p>特點3：空化模型是基于Rayleigh-Plesset 方程，描述了液體中單個蒸汽氣泡的生長。</p><p><br></p><p>特點4：Singhal et al.引入了不可凝氣體，假設(shè)不可凝氣體的質(zhì)量分數(shù)是已知常數(shù)。Singhal et al模型要求主相為液體，次相為蒸汽，只適用于mixture模型；Singhal et al.模型只能用于單一的空化過程。
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空化的最新內(nèi)容
挑戰(zhàn)/需求
作者所在機構(gòu)希望通過仿真工具探究電子膨脹閥不同開度下制冷劑的空化特性，靈活更改閥開度及閥芯結(jié)構(gòu)，模擬開度和結(jié)構(gòu)變化后空化現(xiàn)象、流量、氣相比例、湍動能及流動噪聲的變化；仿真結(jié)果需與實驗結(jié)果相近，從而為電子膨脹閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和降噪設(shè)計節(jié)約時間與成本。
2、超聲波清洗技術(shù)
利用20-40kHz高頻聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)，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(shù)操作簡單，對塑件表面無損傷，適合復雜結(jié)構(gòu)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。
獲得流場、傳熱及空化結(jié)果的后處理與分析技能。
通過與實驗數(shù)據(jù)對比來驗證 CFD 結(jié)果，并對設(shè)備進行優(yōu)化設(shè)計。
課程要求
參加本課程的前提是具備基礎(chǔ)的技術(shù)教育背景，并對流體力學或流體動力學概念有基本了解。這一基礎(chǔ)將有助于您理解 CFD 原理并有效使用 ANSYS Fluent。
同時液體管路中應(yīng)避免突然的截面變化或90°急彎緊鄰流量計入口，以免產(chǎn)生空化或氣蝕，干擾測量信號。
? 精準空泡捕捉：VOF 多相流模型配合空化模型，清晰捕捉空泡壁面分離、擴張及表面閉合現(xiàn)象。
? 收斂性優(yōu)化：針對高速沖擊工況，優(yōu)化了耦合時間步與內(nèi)迭代策略，確保計算穩(wěn)定。
3. 資源包清單（所見即所得）
CFD 模型 (.sim)：STAR-CCM+ 原文件，包含完整的網(wǎng)格劃分、VOF設(shè)置、重疊網(wǎng)格及協(xié)同仿真接口設(shè)置。
12px;"><p class="ql-table-cell-inner" data-table-id="wbx9dwlz5rk" data-row-id="6vu3nvbr9y2" data-col-id="nhhccql4r0e" data-rowspan="1" data-colspan="1"><p> 仿真對象關(guān)鍵算法應(yīng)用價值螺旋槳水動力效率</p><p><br></p><p>空化
王夢瑩
LCFC聯(lián)寶科技 研發(fā)經(jīng)理
K-Clip治療三尖瓣反流的數(shù)值仿真研究
王盛章
復旦大學生物醫(yī)學工程與技術(shù)創(chuàng)新學院 教授
數(shù)值仿真在植入醫(yī)療器械研發(fā)與注冊中的應(yīng)用
陳志遠
上海微創(chuàng)醫(yī)療器械（集團）有限公司 仿真工程師
電子膨脹閥空化特性的數(shù)值模擬與試驗研究
王夢瑩
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陳志遠
上海微創(chuàng)醫(yī)療器械（集團）有限公司 仿真工程師
電子膨脹閥空化特性的數(shù)值模擬與試驗研究
15:15 - 15:40
數(shù)值仿真在植入醫(yī)療器械研發(fā)與注冊中的應(yīng)用
陳志遠
上海微創(chuàng)醫(yī)療器械（集團）有限公司 仿真工程師
15:40 - 15:55
茶歇
15:55 - 16:20
電子膨脹閥空化特性的數(shù)值模擬與試驗研究
張克鵬 | 浙江三尚智迪科技有限公司 技術(shù)中心主任
作品名稱：基于Ansys Fluent的電子膨脹閥空化特性數(shù)值與實驗研究
作品簡介：電子膨脹閥是空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵控制部件，主要用于流量調(diào)節(jié)和節(jié)流膨脹。但在小開度下，制冷劑流經(jīng)電子膨脹閥時會因節(jié)流產(chǎn)生兩相流，氣相的形成與潰滅會產(chǎn)生噪聲。
