空泡模擬
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-05
空泡模擬的實例教程
在螺旋槳梢渦空泡數值模擬研究中，E779A槳是使用頻率最高的槳型之一，其幾何形狀如下圖所示。
▲ INSEAN E779A螺旋槳
計算域
計算域分為兩部分，第一部分為槳附近的圓柱形旋轉域，可以使用旋轉坐標系法或剛體運動法實現螺旋槳的旋轉運動模擬；第二部分為靜止域，兩計算域之間通過交界面實現流場信息傳遞，如下圖所示。
▲ 計算域示意圖
網格劃分
為了較為理想地捕捉到梢渦及梢渦空泡，網格的配置非常重要。首先，在螺旋槳周圍添加緩沖層和環形加密區，如下圖所示。
▲ 自定義網格加密區
其中，緩沖層網格加密主要用于較好地求解螺旋槳旋轉過程中近場的壓力及速度變化；環形加密區則完全覆蓋螺旋槳可能產生梢渦的區域，主要用于梢渦的精細化捕捉。
在完成上述兩次加密之后，形成螺旋槳梢渦模擬的初始網格劃分，網格剖面如下圖所示。
▲ 網格剖面示意圖
初始網格計算結果
以進速系數
J
= 0.71，空化數
σ
= 1.763工況為例，采用上述網格進行螺旋槳空泡流數值模擬，計算得到的螺旋槳梢渦和空泡形態分別如下圖所示。
▲ 計算結果：（a）梢渦；（b）空泡形態
結果所示，螺旋槳梢渦和轂渦均被較好地捕捉，梢渦呈光滑的螺旋管形狀向后延展一定的距離，在發展至環形加密區末端后消失，說明環形加密區網格尺寸可有效捕捉螺旋槳的梢渦形態。
展開 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。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。
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圖1 閥門突然關閉引起的單相水錘
圖2 單相水錘中的壓力脈動
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，產生負壓，周圍液體被加速隨后又在管道盡頭驟停，引發水錘效應。
<p class="ql-align-justify">本文以工程項目為參考，基于ABAQUS/Explicit，采用CEL方法對彈性體入水過程進行數值模擬，研究了空泡演化、運動特性及力學響應等特性。
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。
我用流體仿真軟件AICFD簡單模擬了螺旋槳空化，大家可以看到藍色低壓區內存在低密度區，低密度區就是空化區域，易產生氣泡的區域。
空化威力很大，空泡的出現和破裂會造成壓力波動，甚至會產生激波。有很多典型場景，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生的激波破壞相關，大家感興趣的話，以后可以單出一期講講。
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動時，表面出現的低壓空泡區域。
計算結果
通過VirtualFlow模擬計算得到不同工況下空泡份額的徑向分布，并與DEBORA試驗數據、Vyskocil＆Macek（2008）模擬結果、Krepper＆Rzehak（2011）模擬結果進行對比，得到圖2-圖9.
說明：
1. DEBORA實驗在CEA Grenoble進行，作為實驗數據集；
2.
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</div><h1><br></h1><h1>計算結果</h1><p class="ql-align-justify">通過VirtualFlow模擬計算得到不同工況下空泡份額的徑向分布
圖7 天然氣10%體積分數云圖
在輸送管道的過渡位置，比如焊接法蘭位置、閥座附近、球體附近等，由于結構發生突變，至使LNG介質在該處的壓力突然降低，導致LNG介質汽化產生空泡，并會在管道內迅速擴張。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。
3 計算結果及分析
為了探究改良葉型對旋轉空化器水動力學特性的影響，針對不同的轉速（ω = 3 500，4 000 ，5 000 ，6 000 ，8 000，10 000，12 000 r/min）工況進行了數值模擬計算，并與原始葉型在相同轉速工況下的數值模擬結果進行了對比。圖 5 所示為不同轉速下 2 種葉型旋轉空化器所形成空泡形態的俯視圖。從圖中可以看出，空泡尺寸是隨轉速的升高而增大的。
（注：該模擬僅是測試ITM方法對捕捉傳熱兩相流復雜界面變化的能力）
在預測BWR燃料棒束中冷卻劑的傳熱流動特性時，必須準確評估子通道之間的流動傳質。兩相系統中的傳質包括三個獨立部分：空泡漂移（voiddrift）、交錯流動（diversion cross-flow）和湍流混合（turbulent mixing）。該算例中包含了流體流動和傳熱的多尺度模擬，未考慮相變過程。
