空泡潰滅
關注創建者：匿名 創建時間：2021-12-09
空泡潰滅的視頻教程
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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空泡潰滅的實例教程
據計算，潰滅時溫度能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。
在潰滅過程中，高速射流和高壓沖擊波是最主要破壞手段。空化產生的球形空泡，在高壓環境中，被壓縮成非球形。在此過程中產生了非常高的沖擊速度，誘導沖擊波產生。這種過高的速度對壁面會引起腐蝕作用。
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”。現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。
展開 例如，水中高速航行的物體，表面局部壓力會變得很低；超聲波、沖擊波、激光等也都有可能導致低壓，從而誘導空泡的產生。前面提到的手槍蝦，就是通過將巨螯迅速閉合，噴出超過30m/s的高速射流，射流附近壓力降低，從而誘導產生空泡。
空泡有很多種形態，最常見的就是物體表面的獨立的氣泡或者小氣泡構成的氣泡群，泡內的主要成分是水蒸氣。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。
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。
展開 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。有相關研究，經特斯拉閥裝置循環空化處理15分鐘，污水中的大腸桿菌被殺死接近100%。
目前空化處理污水中有機物的方式已經產業化應用，但主要是超聲波空化。如果將來研究后，利用特斯拉閥的可操作性及成本方面優于超聲波空化，那么可能會是污水處理問題的一個新的進展。
百年來，正如對特斯拉本人的評價一樣，有人說特斯拉是徹徹底底的loser，有人卻說他是最接近神的人，同樣大家對特斯拉閥的看法也是兩極分化，一種說法是這玩意就是故弄玄虛沒什么用，雖然叫閥，卻是個漏的閥。但也有人覺得它沒有運動部件，結實耐用的特點是無可替代的事實，而且這個漏也很可能成為它最大的特點，也許它真是特斯拉留給后人的寶庫，等待人們去挖掘，找到真正屬于它的舞臺。
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空泡潰滅的最新內容
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。
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？
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。
其空泡形成和潰滅多發生在葉片的正面和背面或前輪盤內表面處以及葉片的根部。
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。
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。
建立考慮表面波與發射平臺運動等復雜因素的航行體高速帶空泡出水過程的水動力學模型，發展流固耦合模型，把握復雜條件下航行體出水的流體動力特性、出水空泡潰滅和沖擊載荷的變化規律。
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。
