空化仿真的案例
使用 CFD 仿真預測流體空化，進行精確的全尺寸螺旋槳仿真（免費領文檔）
預測和減少流體空化對于很多工業應用都至關重要，包括船舶推進器。計算流體力學 (CFD) 可以用于預測流體空化并在設計流程早期探索備選設計。本白皮書探討船舶推進器空化仿真的重要方面。它評估準確仿真潛在錯誤的相對影響、如何降低其影響以及在比例模型物理測試過程中模擬全尺寸推進器的優勢所在。
使用 CFD 仿真預測流體空化并降低其影響
空化是由流體壓力驟降引起的，這樣液體就會產生相變和氣泡。許多液體流動時都會發生這一現象，尤其是在泵、閥門和推進器之類旋轉機械中。流體空化會導致振動、噪聲和腐蝕，并因而導致結構磨損和損壞。在船舶應用中，推進器空化會降低推進效率并對船體和推進器葉片造成腐蝕。因此，準確預測是否會發生空化、在推進器的哪個部位發生、確保減少推進器設計次數或盡可能防止流體空化，都至關重要。
借助計算流體力學 (CFD) 進行多相建模，對于理解空化而言是不可或缺的工具。對于比例推進器模型進行的物理測試用途有限，因為預測和真實世界的全尺寸操作條件之間存在差異。CFD 可以準確預測空化并迅速用于多種設計研究。
了解如何執行準確的空化仿真
通過 Simcenter STAR-CCM+ 之類 CFD 代碼中的通用空化模型，可以準確預測船舶推進器的空化。本白皮書詳細探討運行空化仿真過程中可能遇到的難題。了解如何評估以下對象：
湍流模型
柵格解析度
推進器幾何形狀
尺度效應
對于空化仿真結果的影響。本白皮書囊括了 SVA Potsdam 公司的 CFD 仿真和實驗數據對比。
借助船舶 CFD 仿真推動船舶設計流程
我們堅信，全面的數字孿生對于船舶創新的未來和效率至關重要。我們的仿真和測試工具產品組合靈活、開放、可擴展，并且可以在船舶設計流程的每一步提供支持輔助。
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 設計仿真 | 基于Actran的螺旋槳非空化噪聲仿真研究
圖3 聲學幾何模型及聲學網格劃分
圖4 聲學邊界條件及場點布置位置
研究結論
面聲源對應于流場的內交界面，體聲源對應于流場的中間流域，通過ICFD變換得到面聲源和體聲源的聲源信息，仿真計算結果與試驗的對比如圖4所示。
圖4 均勻來流下仿真結果以及和試驗結果對比
圖4可知場點的試驗和仿真的計算結果吻合性良好，說明該仿真方法的準確性。計算結果顯示在低頻時，體聲源所產生的噪聲占據主要地位，比面聲源聲壓級大10dB左右。隨著頻率的增大，在2BPF(79.6Hz)后，面聲源的聲壓級開始大于體聲源，并隨后一直處于主導地位。下圖5是不同聲源項作用在不同葉頻下的縱向聲壓云圖?？梢园l現隨著距離的增加聲壓級逐漸降低。隨著頻率的增大，聲壓級逐漸降低。在1BPF(39.6Hz)時，面聲源的云圖分布特點呈現8字形，且相比于面聲源來說，體聲源對噪聲的貢獻更大，面聲源和體聲源共同作用聲壓云圖也和僅體聲源作用的云圖更接近。當頻率在25BPF(990Hz)時，面聲源和體聲源共同作用聲壓云圖和僅面聲源作用的云圖幾乎沒有差別,且聲壓云圖已經從聲源向空間各個方向發散。綜上所述，在低頻時，噪聲主要來自體聲源項的貢獻，隨著頻率的增大，噪聲主要來自面聲源項的貢獻。
該結果表明，使用Actran與流體結果的混合方法能夠準確預測螺旋槳的非空化噪聲。
圖5 不同頻率下螺旋槳縱向剖面的聲壓云圖
注：此內容來自?？怂箍倒I軟件2023年用戶峰會投稿論文：《均勻來流下螺旋槳的非空化噪聲預報》，作者：徐龍龍、葉栗栗、王獻忠，武漢理工大學。
展開 仿真案例｜葉片泵空化流動模擬實驗
許多方面可以而且必須在仿真的虛擬層次上進行。因此，在模擬、實驗和分析之間遵循一個很好的平衡策略是很重要的。模擬可能是非常耗時的，因此必須注意，投入不要過量。當然，數值實驗通常比實際硬件上的測量要便宜得多。此外，仿真技術現在變得越來越強大，應用范圍也得到了很大的擴展。需要注意的是，只要不可能從這些數據（數值或經驗數據）導出簡單的模型和視圖，數值數據就可能和經驗數據一樣無用。
確定靜液壓泵流量極限已被證明是關鍵一步。在產品設計過程中，開發工程師需要一種簡單、快速的計算工具來進行純估算。1D建模是滿足這一需求的最有效方法。1D模型具有有限的變量數目，并允許進行詳細的分析。量綱分析可以用來獲得一個問題的規則參數。計算流體力學(CFD)在模型參數確定或模型改進時起到了很好的支持作用。在這種情況下，流量系數是一個非常突出的例子。因此，人最終可以得出一個很好的模型，該模型可以用完全開發的產品的可用實驗數據來驗證。在產品設計的下一個周期中應用該模型可能有助于避免以前的缺點。因此，我們嘗試在這個卓有成效的共生體中采用1D模擬和CFD并行的策略。
CFD 模擬策略
在嘗試用CFD進行全3D葉片泵模擬之前，建議從2D可行性研究開始。原因在于FLUENT中的空化模型可能導致求解器的嚴重收斂問題，這需要長期手動調整求解器的設置。根據我們的經驗，這種情況發生在靜止的3D流中。此外，葉片泵的全面模擬需要FLUENT中提供的幾種模擬技術的組合。首先，我們有一個非定常流動問題。正如我們在第1節中所看到的，靜液壓泵的工作方式是顯式變化的幾何形狀。運動部件的運動不是像渦輪機那樣由純粹的旋轉組成的。因此，不存在運動參考系，其中運動部件處于靜止狀態。動態網格技術的應用是十分必要的。最后，在所注意的泵速度下，工作介質是處于高度可壓縮狀態的流體。
展開 
Comsol超聲空化仿真分析氣泡運動 ￥2200
超聲空化是一種重要的物理機理。超聲空化是指液體介質中的微小氣泡核在強超聲波的作用下,氣泡體積經歷生長振蕩而最終迅速崩潰的過程。在超聲空化氣泡的崩潰過程中,會在非常有限的體積內瞬間產生巨大的壓力梯度和溫度梯度,從而引發系列的化學、物理和生物等效應,如對金屬表面的腐蝕,光脈沖輻射的產生,化學反應速率的加快,生物組織結構的改變等。超聲空化過程是眾多空化氣泡的動力學過程,對單一空化氣泡的動態過程研究不僅是研究多個氣泡空化的起點,而且是研究系列超聲空化現象的基礎。
其主要的控制方程如下：
本模型調用系數型邊界偏微分方程和動網格，展示了氣泡在超聲空化過程中的變化：
兩個周期振蕩過程中，氣泡的半徑與初始半徑比值的動態變化。
這是氣泡動能的變化 ，相比較，隨著振動周期，氣泡動能也在增加。
有興趣的可以加我，交流模型。
展開 “神工坊”高性能工業仿真平臺｜Fluent軟件并行效率測試
Fluent軟件并行效率測試
一、導言
Fluent軟件是ANSYS旗下一款通用CFD仿真軟件，市場占有率比較高，能夠進行流體、傳熱、化學反應等多種工程場景和模型的仿真分析。
二、 Fluent并行效率測試
1、模型介紹
本次測試共有兩個模型，一個是一個離心泵的空化仿真，是一個Mixture多相流問題，另一個是一個發動機內流仿真模型，兩個模型都來自于胡坤老師的公眾號，在原網格基礎上進行了加密。
表1 模型描述
2、并行測試方案介紹
本次并行測試基于國家超算無錫中心高性能仿真計算集群進行，計算隊列每個節點包含2路12核E5-2680V3處理器，主頻2.5GHz，每個節點128GB DDR4內存。
測試時分別使用了單核，24核（一個節點），48核，72核，96核及120核進行計算。
3、測試結果
并行測試結果如下所示：
4、測試結果對比
將case2的測試結果與Fluent官方及第三方超算測試情況進行對比，結果如下圖所示：
其中，Fluent官方測試案例是飛機機翼上方的外部氣流穩態流場仿真，網格規模1400萬；第三方超算測試案例是卡車車身外部穩態流場仿真，網格規模1400萬。
備注：因無法找到相同的仿真算例，故選擇了網格規模接近的算例進行對比，且各方測試并行規模也不完全一致，為方便對比，均轉換成按節點數進行對比（作者：周捍瓏）。
十四五期間，工業數字化將是工業轉型升級的主路線?！吧窆し弧北帧八懔x能、協同創新”的理念，爭做“先進算力到仿真算能的轉換器”、“離散機理和垂直仿真場景的連接器”，助力我國工程仿真技術實現跨越發展，支撐重大裝備研制創新和工業設計研發數字化轉型。
展開 水下聲輻射機理與仿真分析
空化噪聲仿真難點在于：1、聲源為非穩態聲源，且只具有統計規律；2、聲源頻率高達10kHz，聲源尺度為幾毫米，將給聲仿真計算量巨大；最重要一點，CFD計算無法較精確的定量計算出聲源。在這些認知基礎上，本方案尋求一些定性的仿真方法，如CFD+虛擬面FW-H方法和CFD+經驗公式法。
·CFD+虛擬面FW-H方法
·CFD+經驗公式法
根據單個空泡的噪聲特性研究，空化的輻射聲功率是每個氣泡輻射的平均能量于每秒氣泡崩潰數目的乘積。由于每次崩潰輻射的能量正比于崩潰壓力與最大氣泡體積的乘積。因此，輻射功率正比于單位時間所產生的全部空化體積，即
測量獲得的空化頻譜圖是在峰值前約9dB倍頻增加，峰值后約6dB倍頻降低。而峰值頻率可利用最大氣泡的崩潰關系式獲得：
，其中
為最大氣泡半徑，
為崩潰壓力。
利用CFD計算獲得空化體積變化率和最大空泡半徑，利用聲功率公式計算并定性分析。另外，針對螺旋槳空化噪聲表達式，楊勇和熊鷹在文獻顯示噪聲頻率在高頻時空化噪聲比非空化噪聲聲功率級增加約20dB，獲得螺旋槳聲壓級經驗表達式。可以將這些經驗公式封裝到聲學仿真軟件中，作為一種快速空化噪聲的預估仿真方法。
總結
本文對水下聲輻射機理進行了詳細的論述，幾乎涵蓋所有的聲源和頻段，為水下聲學研究提供理論指導。
分別針對多種不同聲源機理提供了聲仿真的方法和流程，并通過相關的案例分享，能有效提高讀者的仿真實踐能力。
文章來源：能科股份
展開 液化天然氣輸送系統超低溫球閥介質流動仿真分析
摘 要：超低溫球閥廣泛應用在LNG輸送管道系統中，但是超低溫球閥經常會發生空化現象。本文對LNG超低溫球閥中的空化現象進行了仿真分析，結果表明：隨著質量流量的增加，LNG在球閥管道中的速度越來越大，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。
關鍵詞：超低溫球閥;液化天然氣;空化;管道輸送;
1 概述
2021年，中國進口LNG達8140萬噸，超過日本成為全球最大的液化天然氣(LNG)進口國，標志著自20世紀70年代初以來，中國首次成為全球最大LNG進口國。在中國成為全球最大LNG進口國的同時，LNG超低溫閥門產品的加工制作也迎來更大的發展空間[1]。LNG超低溫球閥主要用于天然氣液化工廠、液化天然氣接收站、液化天然氣船舶運輸等系統裝置中。一個大型LNG項目中使用的低溫閥門數量能夠達到上萬臺，其中光是低溫球閥就能夠占到70%左右[2,3]。這些閥門對于LNG輸送系統的安全運行起著決定性的作用，經過對大量的LNG設備事故案例進行分析，可以發現有多起案例是由于閥門故障或者失效造成了LNG泄漏，進而致使整個系統裝置被迫停機甚至發生燃燒、爆炸。因此，本文將對應用在液化天然氣輸送裝置中的超低溫上裝式球閥(后簡稱“LNG超低溫球閥”)內部的介質流動進行仿真計算，為LNG超低溫球閥的安全使用提供一定的理論支持。
2 物理模型和數值模擬方法
2.1 LNG超低溫球閥物理模型
計算所采用的LNG超低溫球閥三維如圖1所示。LNG超低溫球閥主要由支架、閥桿、加長閥蓋、球體、閥體、前后閥座以及連接件、密封件等構成。由于LNG的低溫，LNG超低溫球閥以及管道內部非常容易產生空化現象。
展開 【技術】渦輪泵誘導輪幾何參數的敏感性分析及性能優化
子午流道輪廓變化
葉頂型線β分布變化
葉根到葉頂θ變化
前緣形狀變化示意
基于ANSYS CFX的外部仿真流程
通過耦合各種ANSYS的軟件工具，可將流體動力學分析集成到CAESES設計環境中。在CAESES中創建誘導輪幾何體后，將CFD流體域以TETIN格式導出，其中幾何體的每個部分都設置為不同顏色，這對于ICEM中的網格劃分過程非常有用，它使得ICEM能夠自動識別不同的邊界。通過一系列腳本，每個不同參數的幾何都可以自動生成計算網格，并建立包含空化分析的自動化仿真分析流程。CFD分析采用雙精度求解，SSTk-ω 湍流模型，空化模型采用Rayleigh-Plesset模型。根據仿真計算得到的誘導輪內空化氣泡的位置及空間大小等數據，采用由Fortran編寫的內部代碼進行后處理，得到空化性能目標函數數值，對模型性能進行評估。
展開 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?！翱偛ā狈ūc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]。
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論文推薦 | 基于泵噴整流機理的螺旋槳空化抑制研究
當螺旋槳周圍流體的壓強降低到水的飽和蒸氣壓以下時, 將會出現空化現象[1-6]。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。
溫亮軍[7]和齊江輝[8]等通過改變槳葉側斜、縱傾角以及槳葉剖面等參數來研究螺旋槳空化性能, 發現通過優化設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值分析, 發現空化數小于3時, 空化區域將快速擴散到整個槳葉面, 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]利用自適應網格法對名為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, 針對特定參數的螺旋槳進行空化試驗以驗證仿真數據的準確性, 但并未對空化起因與抑制空化方法進行深入研究。以上研究的出發點均基于研究螺旋槳參數特性來優化水動力性能, 以達到抑制空化的目的, 抑制效果不理想。
空化氣泡從產生到潰滅的時間很短, 在復雜流場結構中很難清楚地觀察到流場內部情況, 使得螺旋槳的空化流場結構及空化氣泡的動力學性能存在盲區。CFD是一種以計算機計算為基礎, 對流體傳質傳熱等現象進行分析的方法[15-17]。
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