空蝕的案例
流體力學現象之-“空蝕”
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?；蛞旱螞_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。
展開 神奇的泡泡---空泡
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。
典型的空蝕結構破壞圖：
（a）水槍機葉片空蝕(Brennen, 2011)
（b）水泵誘導輪空蝕(Brennen, 2011)
（c）螺旋槳舵面空蝕 (By Straka W)
不過，空泡潰滅產生的高壓，也可以為人類所用。超聲清洗是最常見的應用方式，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。
展開 用9億網格模擬近壁面空泡潰滅過程：空泡，空泡潰滅?。ㄞD載）
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，被稱為“空蝕”或“氣蝕”?，F實生活中能夠體現空泡巨大威力的一個例子來自于水利領域。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。
展開 燃油噴射器潛在空蝕的數值預測
當壓力下降到飽和壓力以下時，汽車工業中使用的諸如燃油噴射器，燃料泵，閥門和噴嘴之類的濕部件經常出現空化現象。與空化相關的侵蝕，大多數都具有破壞性。因此，在部件的設計階段，需要借助于計算機模擬以快速和準確的方式更好地預測空化并預先判斷潛在的侵蝕區域。預測潛在侵蝕區域所考慮的最重要的物理因素是由于空化氣泡內部足夠靠近材料表面而產生的壓力波的大小。如果作用在材料上的坍塌壓力的大小超過其屈服強度，則它會發生塑性變形。
本文介紹了一種更快的方法捕獲空化現象，使用Fluent進行云脫落和蒸汽結構坍塌。在這里，液相和氣相都被認為是可壓縮流體，并且開發了一種算法來捕獲氣泡坍塌及其大小和發生位置。
1 數值模型
1 Euler-Euler兩相流
使用具有兩個歐拉相（液體和蒸汽）的流體體積法（VOF）的多相模型用于模擬。對于氣相，該等式具有以下形式：
方程（1）
其中α是汽相的體積分數，是蒸汽密度，是氣相的速度矢量，S是凈質量源項。
方程（2）
其中，μ是粘度混合物，ρ是混合物的密度，是蒸汽密度，是液體密度，p是壓力。
2 空化模型
方程（1）中的質量源項S可以寫為：
方程（3）
方程（4）
展開 
『分享』轉載：AVL軟件介紹
* 噴嘴內空蝕流
* 噴霧燃燒
* 噴霧傳播
* 氣/油 混合制備
* 壁膜現象
* 點火
* 火焰傳播
* 污染物排放
* 催化劑化學動力學
* 冷卻液沸騰問題
avl軟件介紹.rar
世界最大無壓泄洪洞群建成！
華東院堅持技術創新，攻克了高水頭窄河谷單側大泄量泄洪消能、大單寬流量泄洪洞高速水流空化空蝕、萬噸級大推力弧門結構安全、高強度混凝土溫控防裂等關鍵技術難題。
3條無壓泄洪洞布置在左岸山體內，裁彎取直，消能避開峽谷河段，減小與壩身聯合泄洪對邊坡穩定的疊加影響；首創“底+側”非同步立體摻氣減蝕結構、摻氣坎獨立洞外補氣系統；首次采用總水推力達11500噸的三支臂弧形閘門，處于國內領先水平。
如何使用AIPump對泵進行逆向工程
例如在含沙水流中，泥沙的作用會加劇泵葉輪的空蝕和磨損[4]。利用仿生學的思想，對具有防磨損的生物外表結構進行逆向工程，并應用到泵設計中，也是非常先進的延長泵使用壽命的思路。
3、AIPump的逆向工程模塊介紹及操作演示
在理想情況下，葉輪是一個旋轉對稱的幾何體，泵葉輪的幾何定義可以分為三部分特征，即前蓋板、后蓋板和葉片。在三維模型重構中，只要這三個要素的數據具備了，那么理想情況的葉輪模型也就已經被完全定義了。因此，最簡單的葉輪重構過程既是通過定義這三個特征的數據文件（hub.curve、shroud.curve、blade.curve和葉片數）來重構葉輪三維幾何。最復雜的葉輪重構過程，則是通過三維測量設備對葉輪模型進行數據采集（大多采用非接觸式測量，尤以光學測量法應用最為廣泛），形成點云文件后，經過一般的降噪處理，同時還需要經過手動的孔洞修復，數據精簡，特征提取，曲面重建，最終完成葉輪的重構。
3.1基于curve文件的葉輪逆向工程
在AIPump中，基于curve文件對葉輪進行幾何重構只需要簡單的幾個步驟，并可以進一步對葉輪的幾何參數進行修改，以滿足改型設計的需求。具體操作流程如下：
0. 運行AIPump，點擊文件→新建→葉輪設計。選擇“逆向擬合”，點擊下一步，進入導入向導。
1. 輸入葉片數量，設置源文件的長度單位和旋轉軸。
2. 選擇Curve文件，并設置hub.curve、shroud.curve、blade.curve的讀取路徑，點擊下一步。
3. 進入模型重構頁面，待逆向處理過程完畢后，會顯示原模型和重構模型，點擊下一步。
4.
展開 空化與空泡——從燒開水到超空泡
空泡由無數個小泡泡組成，這些水下的小泡泡很不穩定，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，出現不規則的麻子和破損，就可以很專業地說空化很嚴重啊。
代表空化程度的最權威參數是空化數，空化數越小代表越容易空化。
空化數=（環境壓強-水燒開的壓強）/（1/2*速度平方*密度）
如果環境壓強等于水燒開的壓強，空化數=0，水完全空化就是沸騰。
如果環境壓強大于水燒開的壓強，空化數>0，水不會沸騰，但是會局部空化。
環境壓強越低、物體運動速度越快空化數越小，空化的情況越嚴重。
做個試驗，將手放入水中快速推動水，速度越快手前面的壓強越大，同時手背面的壓強越小更容易產生空化，也許你不承認，那么你看看手背面的水位置低于水平面（說明比水平面的壓強低）。
與空化數長得很像的參數——壓力系數。
壓力系數Cp=（當地壓強-環境壓強）/（1/2*速度平方*密度）
如果Cp<0，當地壓強小于環境壓強，因為水的密度很大，當地壓強會快速下降。例如某個局部的Cp為負0.5，在一個大氣壓的環境中，水中速度達到14米每秒，局部壓強會降低到0.023大氣壓，水發生空化產生局部空泡。可見為什么水中的螺旋槳、水翼這么容易發生空化，讓空泡打的自己遍體鱗傷了。當然跑得再快也不會讓海洋為你沸騰，只能讓Cp為負數的那個局部產生很多空泡。
消除空泡設計
消除空泡的最根本的辦法就是提高壓強。如果你沒有能力設計出壓力系數較高的外形，只有降低速度在水中慢慢跑了。
增強空泡設計
水的摩擦阻力很大（所以游泳的速度遠遠慢于短跑），增強空泡設計特意讓空泡完全覆蓋物體表面形成超空泡，物體相當于在氣體中航行，可以大幅降低阻力。設計的原則與消除空泡設計的原則相反，讓外形產生大面積低壓區，在水下高速快跑。
展開 液化天然氣輸送系統超低溫球閥介質流動仿真分析
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。本文對LNG超低溫球閥中的空化現象進行了數值模擬計算，并發現，隨著質量流量的增加，LNG在管道中的速度越來越大，球閥前后產生的壓降也越來越大；LNG超低溫球閥管道內部空化發生的位置主要位于焊接法蘭附近的縮口處，并且進口處的空化要比出口處的空化現象更加嚴重；應當盡量降低超低溫球閥的流量和壓差。
參考文獻
[1] 賈玉光.液化天然氣外輸站低溫球閥的選型和應用[J].石油和化工設備，2017,20(02):41-44.
[2] 黃明亞，宋忠榮，陶國慶，等.超低溫頂裝式球閥研制[J].閥門，2016,(06):25-28.
[3] 趙龍龍，張翼，李靖，等.LNG用超低溫球閥中腔泄壓規律的試驗[J].石油和化工設備，2020,23(07):81-83.
[4] ZWART P,GERBER A G,BELAMRI T.A two-phase flow model for predicting cavitation dynamics[C].Fifth International Conference on Multiphase Flow.2004.
文章來源：閥門
展開 第二十九屆全國水動力學研討會在江蘇成功舉辦
本屆”周培源水動力學獎一等獎“者、四川大學許惟臨教授為本次會議帶來了”高壩水力學細觀成因分析方法研究進展“，介紹了高壩工程中空化空蝕、水流摻氣等高速流動的機理研究進展。上海交通大學劉樺教授做了題為“繞軸對稱體的非對稱空泡流與入水問題研究”的大會報告，較為系統地介紹在上海交通大學水動力學團隊在何友聲院士帶領下在水下航行體空泡流與出入研究方面的研究工作。在本次研討會的大會報告中首次安排了“Omega 渦識別方法應用示范”報告，由華北電力大學（北京）張宇寧作推介示范，為與會者提供一個實用有效的渦識別方法并為提升JHD的影響因子做出貢獻。在各分會場的邀請報告中，有三個邀請報告涉及復雜邊界約束下氣泡的動力學行為、空化流動的大渦模擬及不確定分析等；在分組報告中，有10個報告涉及泡動力學、空化流動的實驗與數值模擬、間隙空化流動等。近十年來，我國學者在空化機理、空泡流的實驗與數值模擬，以及在解決重大工程的水動力學關鍵技術等方面做出了重要的貢獻，涌現了多篇ESI高被引論文，得到國際空泡水動力學界的高度關注。空化與空泡流研究無疑是本次會議的一大亮點。
水波及其與海洋結構物的相互作用是水動力學的一個傳統研究方向。本次會議中，供有3個分會場主題報告、有23個分會場報告，涉及重力毛細波的環形聚焦、隨即波在珊瑚礁地形上傳播的SPH模擬、多浮體的群遮蔽效應（cloaking）、孤立波與多孤立波的相互作用、海嘯波模擬等。
帶自由表面復雜流動的數值模擬與實驗技術研究成為本次會議另一個亮點。新加坡南洋理工大學王錫坤教授做了題為“PIV and its applications of cylinder structures”的大會邀請報告，詳細介紹了PIV技術的發展現狀及發展趨勢，給出了多樁柱繞流的流場PIV測量結果及流動特征。
展開 AVL.Fire.2011.1.Win32_64.&.Linux32_64-ISO 3DVD
.&.Linux32_64-ISO 3DVD
AVL.Boost Engine Cycle Simulation v3.0 1CD(AVL公司的發動機設計優化分析軟件)
AVL.Fire.v8.31-ISO 1CD(發動機三維性能模擬分析軟件,世界范圍公認的頂尖發動機模型分析最佳軟件,解決
發動機的:噴嘴內空蝕流,噴霧燃燒,噴霧傳播,氣/油混合制備,壁膜現象,點火火焰
傳播,污染物排放,催化劑化學動力學,冷卻液沸騰問題)
Bentley.RM.Bridge.Enterprise.CONNECT.Edit
AVL.SWIFT.v3.1.1-ISO 1CD
AVL CRUISE M 2015.2 Win32_64 1DVD
AVL FIRE M 2015.0 Win32_64 & Linux32_64 2DVD
AVL.Workspace.Suite.2013.0.Win32_64.&.Linux-ISO 3DVD
AVL.Workspace.Suite.2014.1.Win32_64.&.Linux-ISO 3DVD
AVL.Workspace.Suite.2011.2.Win32_64.&.Linux32_64-ISO 4DVD
AVL.WorkSpace.SUITE.v4.0 用戶手冊（英文版）
AVL Suite v2013.2 Win32_64 & Linux32_64-ISO 4DVD
AVL Suite 2016.0 (Workspace Suite 2016.0) Win32_64 & Linux64 2DVD
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展開 
MSI 利用 STAR-CCM+? 進行復雜水泵水力分析
水泵的一些主要設計挑戰包括流體運動非定常、空蝕、旋轉機械(件)等。STAR-CCM+能夠成功解決這些物理難點，同時使數字設計過程流程化和更加穩健。生成幾何、劃分網格、計算求解、后處理以及優化都可以高效的在STAR-CCM+ 內完成。
STAR-CCM+ 提供的一些功能，如非定常流動求解器、非定?？栈Ｐ汀⑿D計算域剛體運動(RBM)、復雜幾何結構的自動化非結構網格劃分、并行處理能力等，允許設計者以較經濟的方式對多個水泵設計方案進行比較和研究。
STAR-CCM+ 還允許設計人員對設計點和非設計點的水泵性能作出快速預測，從而有效避免空化和侵蝕等產生的破壞作用。
案例研究 1：雙吸泵
客戶委托 MSI 公司對其雙吸泵設計進行分析，論證該水泵是否滿足預期性能要求。為提高空化性能，水泵采用復雜的離心式設計。在泵的頂部設置進口，在泵的中段設置分流裝置以減輕徑向負荷，在泵的兩側設置完全相同的兩個葉輪，逐漸導至渦殼。水流進入水泵后流量等分通過前述兩個葉輪段。MSI 公司運用 STAR-CCM+ 對水泵復雜的物理現象和過程進行模擬，包括 360 度瞬態流動、旋轉幾何結構、非定常空化現象等。流道因對稱性只計算一半。首先對進口、葉輪和渦殼進行建模。利用 STAR-CCM+ 的自動多面體網格劃分功能對流域空間進行離散，隨后創建單葉片通道網格并根據周期性生成全模型，確保網格的均一性。棱柱層網格單元在表面自動生成以求解邊界層，最終的網格總量為五百萬。圖 1 顯示了流道的幾何結構和網格。
圖1：水泵的流道結構（左）以及 STAR-CCM+ 沿中心平面的計算網格（右）
STAR-CCM+ 采用分離流求解器，同時結合二階對流差分格式以及 SST K-ω 湍流模型。
展開 兩機葉片丨中科院寧波材料所：激光極端制造助力航空發動機氣膜孔高質量加工
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. 水射流輔助激光燒蝕機理
通過干式激光和水助激光加工的試驗對比情況，可以從一定程度上了解水助激光在加工質量方面展現的特定優勢。圖6（左和右）是分別采用納秒激光進行的干式激光和水助激光針對孔加工的效果對比圖。試驗使用的材料為K4002鎳基高溫合金，它具有良好的高溫性能和組織穩定性，是目前等軸晶鑄造鎳基高溫合金中中溫和高溫性能最高的合金之一。干式激光的加工一般會出現孔邊突起，黑色燒蝕殘渣堆積，孔出口圓度差，錐度較大（圖6左）；水助激光加工則孔邊普遍無突起，入口尖銳，出口圓度好，當激光能量合適時，錐度可以更好地消減。但水助激光激光孔周容易存在微坑等表面損傷，另外，單純的水助激光加工對大深度孔加工的能力和效率亟待提升（圖6右）。
圖6. 干式納秒激光（左圖）和水助納秒激光（右圖）加工孔的對比圖
為了提升渦輪發動機的整體性能和可靠性，需要在帶熱障涂層（TBC）的單晶高溫合金渦輪葉片上制備大量的氣膜冷卻孔，激光加工是實現"先涂層后打孔"的優勢加工手段。
展開 齒輪與齒輪箱振動噪聲機理分析及控制
另外，在容積增大時，壓力即迅速減少，從而使得輪齒間迅速減壓造成“空蝕”，使齒輪激發出強烈的高頻振動，同時輻射出噪聲。與此同時，高壓油從齒端部高速噴射，射流沖擊齒輪箱箱體也會引發嚙合頻率激勵而產生齒頻噪聲及其倍頻噪聲。
3
軸承力激勵
如果齒輪傳遞扭矩為船用螺旋槳推力（作用在推力軸承上）與扭矩，則螺旋槳在不均勻流場中產生的非定常軸向力或扭矩通過軸系傳遞到軸承，由軸承傳遞給齒輪，對齒輪產生不穩定的激勵，此即為軸承力激勵。由此種激勵使齒輪產生振動輻射出噪聲，這種噪聲與軸承力的激勵密切相關。
另外，由于齒輪輪齒的彈性原因，齒輪在傳遞動力時，后兩對輪齒嚙合時的齒對數只有一對齒嚙合的1/2～2/3。因此，當主動軸旋轉時，對應于齒對數的變化，從動齒輪發生與旋轉轉速變化相同的振動，從而輻射出噪聲，這也是主要噪聲源之一。
4
高次諧波的產生
齒輪在穩定旋轉過程中受到重合系數等許多因素影響，在輪齒上所傳遞的力是隨時間變化的周期性函數。由于機械加工或磨損引起輪齒偏離實際情況的偏差，如均勻分布的磨損產生嚙合振動及其高階嚙合頻率，但不引起邊帶。
展開 齒輪與齒輪箱振動噪聲機理分析及控制
另外，在容積增大時，壓力即迅速減少，從而使得輪齒間迅速減壓造成“空蝕”，使齒輪激發出強烈的高頻振動，同時輻射出噪聲。與此同時，高壓油從齒端部高速噴射，射流沖擊齒輪箱箱體也會引發嚙合頻率激勵而產生齒頻噪聲及其倍頻噪聲。
3
軸承力激勵
如果齒輪傳遞扭矩為船用螺旋槳推力（作用在推力軸承上）與扭矩，則螺旋槳在不均勻流場中產生的非定常軸向力或扭矩通過軸系傳遞到軸承，由軸承傳遞給齒輪，對齒輪產生不穩定的激勵，此即為軸承力激勵。由此種激勵使齒輪產生振動輻射出噪聲，這種噪聲與軸承力的激勵密切相關。
另外，由于齒輪輪齒的彈性原因，齒輪在傳遞動力時，后兩對輪齒嚙合時的齒對數只有一對齒嚙合的1/2～2/3。因此，當主動軸旋轉時，對應于齒對數的變化，從動齒輪發生與旋轉轉速變化相同的振動，從而輻射出噪聲，這也是主要噪聲源之一。
4
高次諧波的產生
齒輪在穩定旋轉過程中受到重合系數等許多因素影響，在輪齒上所傳遞的力是隨時間變化的周期性函數。由于機械加工或磨損引起輪齒偏離實際情況的偏差，如均勻分布的磨損產生嚙合振動及其高階嚙合頻率，但不引起邊帶。但非均勻分布的缺陷，在周期性脈沖力作用下產生低階諧波頻率，并由于調幅或調頻作用而產生邊帶。節圓相對于旋轉中心存在偏差，產生調幅。不均勻齒距或轉速變化產生調頻，即引起嚙合頻率的變化。若以fs 表示軸頻，fN 表示嚙合頻率，則實際頻率
其中，n、m為任意整數。n 表示嚙合頻率的高階諧波頻率；m 表示以軸頻，fs 為調制頻率的邊帶簇數。
展開 