空泡
關(guān)注創(chuàng)建者：琳泓c(diǎn)omsol 創(chuàng)建時(shí)間：2020-10-28
空泡的視頻教程
建模+后處理：ABAQUS基于CEL算法的微射流沖擊銅板模擬
使用ABAQUS中CEL（歐拉-拉格朗日）分析，模擬了超聲珩磨環(huán)境中空泡潰滅微射流沖擊（微射流高速?zèng)_擊銅板模擬）。建立了歐拉域、銅板、射流的多場(chǎng)流固耦合模型，詳細(xì)介紹了CEL算法，以及材料參數(shù)的選取和建模思路，并且從頭進(jìn)行了模型的建立與后處理分析，分析了高速微射流對(duì)銅板的沖擊響應(yīng)的過程，與文章較匹配，可為后續(xù)相關(guān)領(lǐng)域科研作參考。
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FLUENT管殼式換熱器的小例子：操作細(xì)致，提供附件供練習(xí)（需購(gòu)買），視頻沒有聲音
后面準(zhǔn)備做關(guān)于有聲音的關(guān)于空化（空泡潰滅以及空化射流）的課程，不知有沒有感興趣的同學(xué)？
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空泡的實(shí)例教程
空化產(chǎn)生的球形空泡，在高壓環(huán)境中，被壓縮成非球形。在此過程中產(chǎn)生了非常高的沖擊速度，誘導(dǎo)沖擊波產(chǎn)生。這種過高的速度對(duì)壁面會(huì)引起腐蝕作用。
單個(gè)氣泡雖小，累積起來的威力是非常巨大的，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的剝蝕破壞，被稱為“空蝕”或“氣蝕”。現(xiàn)實(shí)生活中能夠體現(xiàn)空泡巨大威力的一個(gè)例子來自于水利領(lǐng)域。下圖是胡佛水壩的泄洪通道，泄洪時(shí)的高速水流會(huì)產(chǎn)生巨大的負(fù)壓區(qū)和大量的空泡，空泡潰滅在洞壁處挖了一個(gè)巨大的洞（紅色箭頭所指的是洞口，洞旁紅圈所圍住的白色部分是一個(gè)工作人員）。
圖6 胡佛水壩溢洪道由于空蝕形成的大洞 (圖片來源：參考文獻(xiàn)[3])
另一個(gè)例子是水翼、螺旋槳、水輪機(jī)葉片。由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在物體表面的低壓區(qū)也會(huì)產(chǎn)生大量的空泡。空泡潰滅會(huì)產(chǎn)生局部高能沖擊載荷進(jìn)而誘導(dǎo)表面的空蝕破壞（如下圖），而壓力脈沖的累積效應(yīng)也能夠誘發(fā)強(qiáng)烈的振動(dòng)、噪聲等問題。螺旋槳空泡噪聲是潛艇隱蔽性中的重要問題。因此，在高速水動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，空泡潰滅可以說是工程應(yīng)用中的頭號(hào)敵人。
圖7 水輪機(jī)葉片典型的空蝕結(jié)構(gòu)破壞圖 (圖片來源：參考文獻(xiàn)[4])
圖8 用9億網(wǎng)格模擬近壁面空泡潰滅過程 （圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]）
破壞大王空泡也可以為人類所用
雖然空泡潰滅具有強(qiáng)大的破壞力，但只要加以正確的引導(dǎo)，其潰滅產(chǎn)生的能量也可以為人類所用。
超聲清洗是空泡潰滅最常見的應(yīng)用方式。我們洗眼鏡用到的超聲清洗機(jī)、刷牙時(shí)用的聲波震動(dòng)式電動(dòng)牙刷，都是用超聲波的方式在水中產(chǎn)生大量小空泡，利用空泡潰滅的壓力來剝落污垢的。目前，空泡潰滅的原理在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已廣泛用于碎石（下圖）、吸脂、殺菌、造影、藥物輸運(yùn)、溶栓治療等等，甚至是美容領(lǐng)域（下圖）等等。
展開 空泡現(xiàn)象
空泡流動(dòng)是水動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典和難點(diǎn)問題。
當(dāng)液體介質(zhì)中的局部壓力低于環(huán)境溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)，液體介質(zhì)中就會(huì)出現(xiàn)空泡。
這種空泡的
形成、發(fā)展和潰滅
過程以及由此產(chǎn)生的一系列物理變化稱為空泡現(xiàn)象。
空泡是一把雙刃劍。
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，激波空泡被用于粉碎患者體內(nèi)的結(jié)石，有效降低碎石過程中對(duì)患者造成的痛苦。
空泡又可用于清潔，空泡射流所產(chǎn)生的沖擊力可打碎有機(jī)物的分子鏈，有效清除油類等污染物。目前，空化射流清洗已經(jīng)成為高效、節(jié)能的新型清洗技術(shù)。
▲ 應(yīng)用于船舶海生物清除的空化射流水下清洗技術(shù)
然而，在大多數(shù)情況下，空泡依然是一種危害性較大的物理現(xiàn)象，它會(huì)降低機(jī)械的使用效率，產(chǎn)生噪聲，造成材料剝蝕影響其使用壽命等。
▲ 空泡造成的槳葉表面剝蝕
螺旋槳空泡分類
從空泡發(fā)展的物理過程看來，螺旋槳槳葉上經(jīng)常出現(xiàn)的空泡大體有如下四種類型：
渦空泡。
這類空泡多出現(xiàn)在葉梢和轂部。槳葉隨邊曳出的自由渦片的不穩(wěn)定性，在其尾端不遠(yuǎn)處就卷成兩股大旋渦，在各葉的葉梢形成梢渦，而根部處的渦匯集一起形成轂渦。渦核中壓力最低，當(dāng)降至某一臨界壓力時(shí)即發(fā)生空泡。
一般而言，梢渦空泡的發(fā)生先于其他形式的空泡，空泡水筒中的壓力降低到一定值時(shí)，就可清晰地看到從葉梢曳出的螺旋形梢渦空泡和轂渦空泡。這種空泡對(duì)螺旋槳的水動(dòng)力性能沒有影響，對(duì)材料的剝蝕也沒有什么威脅，但梢渦空泡往往使螺旋槳的噪聲明顯加大。
▲ 渦空泡
泡狀空泡。
展開 日本H2火箭由于非穩(wěn)態(tài)空泡引起了軸流泵誘導(dǎo)輪的振動(dòng)破壞，最終導(dǎo)致了發(fā)射失敗，類似的空泡誘導(dǎo)振動(dòng)問題在美國(guó)的火箭設(shè)計(jì)中也屢次被報(bào)道。螺旋槳空泡噪聲也是潛艇隱蔽性中的重要問題。因此，在高速水動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，空泡潰滅可以說是工程應(yīng)用中的頭號(hào)敵人。如下圖均為典型的空蝕結(jié)構(gòu)破壞圖。
典型的空蝕結(jié)構(gòu)破壞圖：
（a）水槍機(jī)葉片空蝕(Brennen, 2011)
（b）水泵誘導(dǎo)輪空蝕(Brennen, 2011)
（c）螺旋槳舵面空蝕 (By Straka W)
不過，空泡潰滅產(chǎn)生的高壓，也可以為人類所用。超聲清洗是最常見的應(yīng)用方式，我們洗眼鏡用到的超聲清洗機(jī)、刷牙時(shí)用的聲波震動(dòng)式電動(dòng)牙刷，都是用超聲波的方式在水中產(chǎn)生大量小空泡，利用空泡潰滅的壓力來剝落污垢的。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域目前已可以廣泛用于碎石（下圖）、吸脂、殺菌、造影、藥物輸運(yùn)、溶栓治療等等。如下為超聲碎石效果實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖。
超聲碎石效果實(shí)驗(yàn) (左側(cè)為術(shù)前、右側(cè)為術(shù)后，超聲空化引起的空泡潰滅在人工石表面產(chǎn)生了許多的剝落凹坑)
除了工程領(lǐng)域，自然界中也有許多的現(xiàn)象與空泡相關(guān)，影響著許多水生動(dòng)物的行為。很容易想到的，許多大型的哺乳動(dòng)物或魚類，游動(dòng)速度能夠超過15m/s，尾鰭處可能會(huì)產(chǎn)生空泡，也會(huì)出現(xiàn)類似空蝕的效果。有報(bào)道稱，海豚游動(dòng)的速度限制主要來自于空化，因?yàn)?em>空泡潰滅會(huì)讓它們覺得很痛。而金槍魚因?yàn)槲馋捠枪琴|(zhì)的，沒有神經(jīng)和疼痛感，據(jù)稱瞬時(shí)最高時(shí)速能夠達(dá)到160km/h。也有學(xué)者觀察到金槍魚尾鰭上由于空蝕形成的小坑。（“dolphins swim so fast it hurts”, New scientists, 2008）
相比魚類的痛苦不堪，許多聰明的蝦類反而把空泡作為他們絕妙的武器。
展開 例如某個(gè)局部的Cp為負(fù)0.5，在一個(gè)大氣壓的環(huán)境中，水中速度達(dá)到14米每秒，局部壓強(qiáng)會(huì)降低到0.023大氣壓，水發(fā)生空化產(chǎn)生局部空泡。可見為什么水中的螺旋槳、水翼這么容易發(fā)生空化，讓空泡打的自己遍體鱗傷了。當(dāng)然跑得再快也不會(huì)讓海洋為你沸騰，只能讓Cp為負(fù)數(shù)的那個(gè)局部產(chǎn)生很多空泡。
消除空泡設(shè)計(jì)
消除空泡的最根本的辦法就是提高壓強(qiáng)。如果你沒有能力設(shè)計(jì)出壓力系數(shù)較高的外形，只有降低速度在水中慢慢跑了。
增強(qiáng)空泡設(shè)計(jì)
水的摩擦阻力很大（所以游泳的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于短跑），增強(qiáng)空泡設(shè)計(jì)特意讓空泡完全覆蓋物體表面形成超空泡，物體相當(dāng)于在氣體中航行，可以大幅降低阻力。設(shè)計(jì)的原則與消除空泡設(shè)計(jì)的原則相反，讓外形產(chǎn)生大面積低壓區(qū)，在水下高速快跑。（這兩個(gè)要求一般都難以達(dá)到，通過向物體表面大量充氣，產(chǎn)生人工空泡也可以形成超空泡——包裹全身的大泡泡）
人工充氣的超空泡
總結(jié)
改變水中物體的空化有兩條道路：
1、改變溫度，你不能加熱或冷卻大海，但是可以將物體本身燒熱或冷卻，改變物體表面的水的空化。
2、改變壓強(qiáng)，你不能給大海加壓或者抽真空，可以通過設(shè)計(jì)外形和變化運(yùn)動(dòng)速度來改變物體局部的壓強(qiáng)。
專業(yè)書上說水變水汽分為三種方式：1、汽化，2、空化，3、沸騰。我講的不專業(yè)，為了你好消化，只好將魚翅冒充粉絲了。還有其他的錯(cuò)誤，請(qǐng)你繼續(xù)尋找。
知識(shí)沒有串成故事，很容易被遺忘，打個(gè)洞串起來，雖然破壞了知識(shí)的完美卻保證不會(huì)丟。
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不求完整只求獨(dú)特
展開 圖 5 所示為不同轉(zhuǎn)速下 2 種葉型旋轉(zhuǎn)空化器所形成空泡形態(tài)的俯視圖。從圖中可以看出，空泡尺寸是隨轉(zhuǎn)速的升高而增大的。當(dāng) ω = 3 500 r/min時(shí)，2 種葉型產(chǎn)生的空泡尺寸均較小；對(duì)于原始葉型，空泡只在葉片的中間位置產(chǎn)生，在葉根和葉尖處沒有空泡形成，如圖 5（a）所示；對(duì)于改良葉型，除在葉片中部產(chǎn)生了空泡外，葉根處也有空泡形成，不過葉尖處仍無空泡產(chǎn)生，此外，在副進(jìn)口邊處也形成了細(xì)條狀空泡，如圖 5（b）所示。當(dāng)ω = 6 000 r/min 時(shí)，2 種葉型形成的空泡均完全覆蓋了葉片出口邊，空泡尾部逐漸飽滿，空泡長(zhǎng)度與葉片進(jìn)出口邊之間的距離相當(dāng)，并且改良葉型副進(jìn)口邊處進(jìn)一步發(fā)展的空泡與出口邊處形成的空泡開始連接起來，如圖 5（c）和圖 5（d）所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于 8 000 r/min 時(shí)，葉片出口邊形成的空泡尺寸進(jìn)一步增大，空泡長(zhǎng)度顯著大于葉片特征長(zhǎng)度，其中改良葉型副進(jìn)口邊處的空泡也得到進(jìn)一步發(fā)展，逐漸覆蓋了副進(jìn)口邊與出口邊之間葉片表面的大部分。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于 10 000 r/min 時(shí)，原始葉型與改良葉型產(chǎn)生的空泡尾部形態(tài)沿半徑的變化不再相似，前者為曲線型，后者為直線型，如圖 5（g）和圖 5（h）所示。
圖 6 給出了不同轉(zhuǎn)速下 2 種葉型旋轉(zhuǎn)空化器所形成空泡形態(tài)的對(duì)比。由圖中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低（ω < 4 000 r/min）時(shí)，空泡無法覆蓋葉片的出口邊，葉尖處無空泡形成，葉根處因回射流的產(chǎn)生引起了大面積的空泡脫落 ，如 圖 6 （a ） 和圖 6 （b ）所示。隨著轉(zhuǎn)速的提高 （ω = 4 000～5 000 r/min），2 種葉型在出口邊形成的空泡逐漸飽滿，且產(chǎn)生的空泡形態(tài)幾乎一致，其中原始葉型產(chǎn)生的空泡只存在于葉片出口邊，而改良葉型的 2 個(gè)副進(jìn)口邊處也有空泡形成。
展開 
空泡的最新內(nèi)容
? 精準(zhǔn)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(kuò)張及表面閉合現(xiàn)象。
? 收斂性優(yōu)化：針對(duì)高速?zèng)_擊工況，優(yōu)化了耦合時(shí)間步與內(nèi)迭代策略，確保計(jì)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。
圖1 閥門突然關(guān)閉引起的單相水錘
圖2 單相水錘中的壓力脈動(dòng)
2、冷凝相變引起的水錘
冷凝相變引起的水錘（condensation induced hydraulic shock）：高溫高壓的蒸汽空泡在管道盡頭急劇冷凝，冷凝過程中體積成百上千倍的減小，產(chǎn)生負(fù)壓，周圍液體被加速隨后又在管道盡頭驟停，引發(fā)水錘效應(yīng)。
<p class="ql-align-justify">本文以工程項(xiàng)目為參考，基于ABAQUS/Explicit，采用CEL方法對(duì)彈性體入水過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了空泡演化、運(yùn)動(dòng)特性及力學(xué)響應(yīng)等特性。
而空泡潰滅時(shí)，會(huì)產(chǎn)生堪比太陽表面的5000K高溫以及6000兆帕的高壓，我曾經(jīng)就利用敲擊啤酒瓶口使底部產(chǎn)生空化的原理，直接將酒瓶震碎。
那么這個(gè)威力在管子中能干嘛呢？ 污水處理！污水中的有機(jī)物一直是個(gè)老大難問題，目前常用做法有化學(xué)沉降，但很難處理干凈。這時(shí)空化就派上用場(chǎng)了，它產(chǎn)生的高能沖擊波足以擊碎有機(jī)物中的化學(xué)鍵，將其分解。
但很快，毫秒甚至更短，水下落，底部壓力升高，水蒸氣變回液體，空泡瞬間潰滅。空泡潰滅威力巨大，理論推演將產(chǎn)生速度4000m/s的微激波和微射流，并伴隨6000兆帕的高壓及堪比太陽表面的5000K高溫。
這意味著，你一掌下去，就拍出了 個(gè)人造太陽，因此啤酒瓶扛不住碎掉也是情理之中了。
前述我們說的瓶中液體一直都是水，那如果把液體換成啤酒呢？
空化威力很大，空泡的出現(xiàn)和破裂會(huì)造成壓力波動(dòng)，甚至?xí)a(chǎn)生激波。有很多典型場(chǎng)景，比如葉片腐蝕、震碎的啤酒瓶，大火煮出的牛肉，都和空化及其可能產(chǎn)生的激波破壞相關(guān)，大家感興趣的話，以后可以單出一期講講。
空化講遠(yuǎn)了，我們回到敲啤酒瓶，想必敲擊造成空化、低壓、產(chǎn)生氣泡這一連串的原理大家都懂了。但你有沒有覺得這研究還差點(diǎn)兒什么。你有沒有疑惑為什么所有的視頻都敲瓶口呢？敲其它地方會(huì)怎樣呢？
通過本案例模擬，將定性地看到具有翼型截面的水泵葉片高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面出現(xiàn)的低壓空泡區(qū)域。
計(jì)算結(jié)果
通過VirtualFlow模擬計(jì)算得到不同工況下空泡份額的徑向分布，并與DEBORA試驗(yàn)數(shù)據(jù)、Vyskocil＆Macek（2008）模擬結(jié)果、Krepper＆Rzehak（2011）模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到圖2-圖9.
說明：
1. DEBORA實(shí)驗(yàn)在CEA Grenoble進(jìn)行，作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集；
2.
，涉及子彈-冰-空泡-水-空氣復(fù)雜相互作用。
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</div><h1><br></h1><h1>計(jì)算結(jié)果</h1><p class="ql-align-justify">通過VirtualFlow模擬計(jì)算得到不同工況下空泡份額的徑向分布
