潰滅
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2020-10-28
潰滅的視頻教程
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，模擬了超聲珩磨環境中空泡潰滅微射流沖擊（微射流高速沖擊銅板模擬）。建立了歐拉域、銅板、射流的多場流固耦合模型，詳細介紹了CEL算法，以及材料參數的選取和建模思路，并且從頭進行了模型的建立與后處理分析，分析了高速微射流對銅板的沖擊響應的過程，與文章較匹配，可為后續相關領域科研作參考。
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fluent專家-多相流-案例3-節流閥空化數值模擬
空化： 液體內局部壓力降低時，液體內部或液固交界面上蒸氣或氣體的空穴(空泡)的形成、發展和潰滅的過程。 知識點：空化模型設置、多相流、歐拉模型等
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FLUENT管殼式換熱器的小例子：操作細致，提供附件供練習（需購買），視頻沒有聲音
后面準備做關于有聲音的關于空化（空泡潰滅以及空化射流）的課程，不知有沒有感興趣的同學？
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潰滅的實例教程
下圖是胡佛水壩的泄洪通道，泄洪時的高速水流會產生巨大的負壓區和大量的空泡，空泡潰滅在洞壁處挖了一個巨大的洞（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[3])
另一個例子是水翼、螺旋槳、水輪機葉片。由于高速運轉，在物體表面的低壓區也會產生大量的空泡。空泡潰滅會產生局部高能沖擊載荷進而誘導表面的空蝕破壞（如下圖），而壓力脈沖的累積效應也能夠誘發強烈的振動、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，在高速水動力學領域，空泡潰滅可以說是工程應用中的頭號敵人。
圖7 水輪機葉片典型的空蝕結構破壞圖 (圖片來源：參考文獻[4])
圖8 用9億網格模擬近壁面空泡潰滅過程 （圖片來源：參考文獻[5]）
破壞大王空泡也可以為人類所用
雖然空泡潰滅具有強大的破壞力，但只要加以正確的引導，其潰滅產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用方式。我們洗眼鏡用到的超聲清洗機、刷牙時用的聲波震動式電動牙刷，都是用超聲波的方式在水中產生大量小空泡，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學領域已廣泛用于碎石（下圖）、吸脂、殺菌、造影、藥物輸運、溶栓治療等等，甚至是美容領域（下圖）等等。超聲臉部美容儀不僅具有清潔皮膚作用，產生微細的按摩作用，可以改善臉部的血液循環功能，提高新陳代謝，是“乘風波浪的姐姐和哥哥們”的不二之選。
圖9 超聲波在美容領域的應用：清潔皮膚、緊致去皺、瘦身瘦面等（圖片來源：veer圖庫）
另一方面，通過對自然界中“自帶空泡武器”生物的研究，極大地促進了相關工程領域的研究進展。比如，基于雀尾螳螂蝦的“蝦光原理”，我們成功打造了激波等離子體裝置，可以有效攻擊目標結構。
展開 氣泡的運動行為主要由壓力控制，外部高壓作用下，氣泡會產生強烈的坍縮潰滅。這種潰滅能夠將整個氣泡的勢能集中于一個非常小的點上，能量密度非常高，據計算溫度高達幾萬攝氏度以上，甚至產生光和聚變，即聲致發光（sonoluminesence）和聲致聚變（Sonofusion）現象。如下圖中，氣泡潰滅過程中，形成了高速的指向壁面射流，產生了巨大的沖擊作用。
單氣泡貼近壁面潰滅與射流(By Li S C)
單個氣泡雖小，累積起來的威力是非常巨大的，會對結構產生明顯的剝蝕破壞，稱為“空蝕”或“氣蝕”。現實生活中一個能夠體現空泡巨大威力的例子來自于水利領域。下圖是胡佛水壩的泄洪通道，高速水流產生巨大的負壓區和大量的空泡，空泡潰滅在洞壁處挖了一個巨大的洞（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工作人員）。
胡佛水壩溢洪道由于空蝕形成的大洞 (By Farvey 1990)
為了避免這一問題，工程師通常采取“摻氣減蝕”的辦法，即通過專門的通路將外部不可凝結的空氣通入到水蒸氣空泡內部。潰滅過程中這部分摻進來的空氣只會被壓縮不會像水蒸氣一樣凝結相變，從而就像在空泡了增加了“彈簧”、“氣墊”一樣，減弱了潰滅的壓力，保護了結構的完整性。
在水翼、螺旋槳、水輪機葉片等所處的流場中，也會產生大量的空泡，空泡潰滅產生局部高能沖擊載荷進而誘導表面的空蝕破壞（如下圖），而壓力脈沖的累積效應也能夠誘發強烈的振動、噪聲等問題。日本H2火箭由于非穩態空泡引起了軸流泵誘導輪的振動破壞，最終導致了發射失敗，類似的空泡誘導振動問題在美國的火箭設計中也屢次被報道。螺旋槳空泡噪聲也是潛艇隱蔽性中的重要問題。因此，在高速水動力學領域，空泡潰滅可以說是工程應用中的頭號敵人。如下圖均為典型的空蝕結構破壞圖。
展開 氣泡隨著液體流動，進入超過臨界壓力或者碰撞材料表面時，氣泡潰滅。潰滅的過程是極短的，對壁面產生液壓沖擊、機械力并伴有高溫，長期作用使壁面形成破壞區，一旦流體中存在腐蝕介質，材料將發生加速侵蝕。
氣泡大小、形狀、潰滅特性、氣相濃度、體積分率等，都會影響氣泡顆粒對材料的腐蝕。氣泡的沖擊會造成材料表面出現凹凸不平的潰滅點坑，是材料腐蝕的起始誘因。
當材料表面受到連續不斷由氣泡潰滅產生的沖擊作用時，將會導致材料疲勞失效，而流體的流動沖刷材料表面的保護膜，形成一系列點坑。
造成氣泡沖刷腐蝕破壞的機理主要有兩個：
一、沖擊波理論，該理論認為空泡腐蝕是由于流體在氣泡潰滅時所形成的沖擊波將其所產生的巨大壓強作用到材料壁面，造成腐蝕破壞。沖擊波傳遞到壁面會產生脈沖應力，產生局部塑性變形失效，經氣泡的連續沖擊最終導致材料破壞。
二、微射流理論，該理論認為，靠近固體表面的氣泡，在受到壓力收縮潰滅時，在氣泡的爆破點處，將推動一束液體流沖向表面，引起金屬表面膜的破壞和金屬的塑性變形。此外，氣泡潰滅的瞬間，具有很高的壓力和溫度，其爆破中心處產生的沖擊波能直接破壞材料表面，使其熔化。
展開 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？用和之前敲碎瓶子一樣的力量，猛烈一擊，啤酒劇烈噴發，但酒瓶卻毫發無損，這又是為什么呢？
水空化形成的氣泡內主要是水蒸氣，而啤酒里溶有大量二氧化碳，敲擊后底部產生的氣泡內不再僅是水蒸氣，而是充斥著從酒中析出的二氧化碳，這樣即使酒下落，底部壓力升高，水蒸氣液化成水，泡內還有二氧化碳存在，減緩了氣泡收縮，氣泡潰滅力量便被削弱了。并且還有部分氣泡根本沒有潰滅，而是吸入更多二氧化碳后和啤酒一起噴出瓶外。所以我用同樣的力量敲，自然敲不碎裝有啤酒的瓶了。
雖然啤酒中的空泡潰滅力量弱了點兒，但這潰滅力量還是在的，所以找個壯士用錘更大力地敲，也還是可以敲碎的。
總結一下，空瓶拍不碎，瓶中裝啤酒比較難拍碎，裝水才容易碎。這其中的原理，我說了這么多，想必大家都懂了吧。那么下次聚會時，你就可以炫技三連：
先拍個蘑菇云，然后幾秒鐘炫進瓶中酒，最后加點兒水，有勁兒用手，沒勁兒用錘，碎它個晶光燦爛。這波連續操作，量別人再也玩不出啥新花樣，即使狠人朋友在場也無懈可擊。Are you sure ？
展開 隨后，當氣泡流動到液體壓力超過氣泡壓力的地方時，氣泡便潰滅，在潰滅瞬時產生極大的沖擊力和高溫。固體表面經受這種沖擊力的多次反復作用，材料發生疲勞脫落，使表面出現小凹坑，進而發展成海綿狀。嚴重的其實可在表面形成大片的凹坑，深度可達20mm。空蝕的程度以空蝕強度來衡量。空蝕強度常用單位時間內材料的減重、減容、穿孔數和表面粗糙度變化作為特征量。
輪表面空蝕后的凹坑
因空蝕而嚴重損壞的葉輪
空蝕過程分為幾個階段：最初只有材料表面的變形或少量減重，形成空蝕潛伏區，然后單位時間的減重突然增大，形成空蝕加速區，過些時間后，單位時同的減重慢慢減小，形成空蝕減速區；最后，單位時間的減重基本不變，形成空蝕穩定區。因為液體和材料的性質不同，上述各個階段中的變化也有差異。
空蝕是空化的后果，但并非所有空化都造成材料的損壞，只有不穩定的空化，如不定常流動中出現的空化或封閉空泡的尾端，才會引起空蝕。因此，空蝕往往出現在物體的局部區域。空蝕的機理與材料受固體微粒或液滴沖擊而損壞是不同的。為消除和減輕空蝕損壞，運動部件應在盡可能穩定的條件下運轉。消極的辦法是在可能發生空蝕的部位涂上或包上彈性強的材料，或注入氣體以吸收空泡潰滅所輻射的能量，也可用化學防腐方法來減輕空蝕過程的腐蝕作用。
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但在小開度下，制冷劑流經電子膨脹閥時會因節流產生兩相流，氣相的形成與潰滅會產生噪聲。本研究通過 Ansys Fluent 數值分析，探究不同開度下制冷劑進入閥內的空化特性，以闡明電子膨脹閥流動誘導噪聲的產生原因。為此設計了帶閥芯凹槽結構的電子膨脹閥，并對閥門流動噪聲進行實驗對比分析。
但在小開度下，制冷劑流經電子膨脹閥時會因節流產生兩相流，氣相的形成與潰滅會產生噪聲。本研究通過 ANSYS Fluent 數值分析，探究不同開度下制冷劑進入閥內的空化特性，以闡明電子膨脹閥流動誘導噪聲的產生原因。為此設計了帶閥芯凹槽結構的電子膨脹閥，并對閥門流動噪聲進行實驗對比分析。
而空泡潰滅時，會產生堪比太陽表面的5000K高溫以及6000兆帕的高壓，我曾經就利用敲擊啤酒瓶口使底部產生空化的原理，直接將酒瓶震碎。
那么這個威力在管子中能干嘛呢？ 污水處理！污水中的有機物一直是個老大難問題，目前常用做法有化學沉降，但很難處理干凈。這時空化就派上用場了，它產生的高能沖擊波足以擊碎有機物中的化學鍵，將其分解。
雖然啤酒中的空泡潰滅力量弱了點兒，但這潰滅力量還是在的，所以找個壯士用錘更大力地敲，也還是可以敲碎的。
總結一下，空瓶拍不碎，瓶中裝啤酒比較難拍碎，裝水才容易碎。這其中的原理，我說了這么多，想必大家都懂了吧。那么下次聚會時，你就可以炫技三連：
先拍個蘑菇云，然后幾秒鐘炫進瓶中酒，最后加點兒水，有勁兒用手，沒勁兒用錘，碎它個晶光燦爛。
當空泡潰滅破裂時，周圍LNG液體迅速填充，碰撞球閥管道壁面，形成水擊。空泡的產生和破裂，還會對LNG超低溫球閥形成空蝕破壞，更進一步地，可能還會產生機械振動和噪聲。因此，LNG超低溫球閥在使用過程中，其流量和壓差都不應該太大，以減少空化現象的發生。
4 結語
超低溫球閥輸送LNG介質時，LNG往往會發生空化現象。
，空化潰滅時，會對結構產生二次加載，且此壓力可以達到和沖擊波相同量級。
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.
空化現象產生的空化氣泡隨著水流進行運動, 當遇到高壓區或障礙物后會產生潰滅, 其特殊的內爆特性使其潰滅時產生巨大的能量。空化氣泡的潰滅會對水下螺旋槳推進器產生一系列的危害, 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。
由此所產生的空泡因前后壓力變化比較緩和，單個空泡的成長清晰可見，有時可以成長到相當尺度，被水流帶向下游時尺寸減小，并發生潰滅、再生、再潰滅、直至消失。這種空泡對螺旋槳的性能影響不大，但對槳葉材料有剝蝕作用。
▲ 泡狀空泡
片狀空泡。
片狀空泡通常在槳葉外外半徑部分導邊附近產生，呈膜片狀，長度不一。在攻角較大時最易產生這類空泡。
受流體內壓力不均的影響，最終會氣泡射流，破壞氣泡完整性而潰滅。
對氣泡射流的研究是水下爆炸重要的研究課題。在數值計算中可通過設置靜水壓力沿水深梯度變化的方法來模擬靜水壓環境，在LS-DYNA中可采用*INITIAL_HYDROSTATIC_ALE關鍵字完成靜水壓力的設置。
