空泡模擬的案例
壞泡泡——螺旋槳梢渦空泡的數(shù)值模擬
在螺旋槳梢渦空泡數(shù)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(jì)算域
計(jì)算域分為兩部分，第一部分為槳附近的圓柱形旋轉(zhuǎn)域，可以使用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法或剛體運(yùn)動(dòng)法實(shí)現(xiàn)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模擬；第二部分為靜止域，兩計(jì)算域之間通過(guò)交界面實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)信息傳遞，如下圖所示。
▲ 計(jì)算域示意圖
網(wǎng)格劃分
為了較為理想地捕捉到梢渦及梢渦空泡，網(wǎng)格的配置非常重要。首先，在螺旋槳周?chē)砑泳彌_層和環(huán)形加密區(qū)，如下圖所示。
▲ 自定義網(wǎng)格加密區(qū)
其中，緩沖層網(wǎng)格加密主要用于較好地求解螺旋槳旋轉(zhuǎn)過(guò)程中近場(chǎng)的壓力及速度變化；環(huán)形加密區(qū)則完全覆蓋螺旋槳可能產(chǎn)生梢渦的區(qū)域，主要用于梢渦的精細(xì)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(wǎng)格劃分，網(wǎng)格剖面如下圖所示。
▲ 網(wǎng)格剖面示意圖
初始網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果
以進(jìn)速系數(shù)
J
= 0.71，空化數(shù)
σ
= 1.763工況為例，采用上述網(wǎng)格進(jìn)行螺旋槳空泡流數(shù)值模擬，計(jì)算得到的螺旋槳梢渦和空泡形態(tài)分別如下圖所示。
▲ 計(jì)算結(jié)果：（a）梢渦；（b）空泡形態(tài)
結(jié)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(fā)展至環(huán)形加密區(qū)末端后消失，說(shuō)明環(huán)形加密區(qū)網(wǎng)格尺寸可有效捕捉螺旋槳的梢渦形態(tài)。
展開(kāi) 用9億網(wǎng)格模擬近壁面空泡潰滅過(guò)程：空泡，空泡潰滅！（轉(zhuǎn)載）
空化產(chǎn)生的球形空泡，在高壓環(huán)境中，被壓縮成非球形。在此過(guò)程中產(chǎn)生了非常高的沖擊速度，誘導(dǎo)沖擊波產(chǎn)生。這種過(guò)高的速度對(duì)壁面會(huì)引起腐蝕作用。
單個(gè)氣泡雖小，累積起來(lái)的威力是非常巨大的，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的剝蝕破壞，被稱(chēng)為“空蝕”或“氣蝕”。現(xiàn)實(shí)生活中能夠體現(xiàn)空泡巨大威力的一個(gè)例子來(lái)自于水利領(lǐng)域。下圖是胡佛水壩的泄洪通道，泄洪時(shí)的高速水流會(huì)產(chǎn)生巨大的負(fù)壓區(qū)和大量的空泡，空泡潰滅在洞壁處挖了一個(gè)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(gè)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(lái)源：參考文獻(xiàn)[3])
另一個(gè)例子是水翼、螺旋槳、水輪機(jī)葉片。由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在物體表面的低壓區(qū)也會(huì)產(chǎn)生大量的空泡。空泡潰滅會(huì)產(chǎn)生局部高能沖擊載荷進(jìn)而誘導(dǎo)表面的空蝕破壞（如下圖），而壓力脈沖的累積效應(yīng)也能夠誘發(fā)強(qiáng)烈的振動(dòng)、噪聲等問(wèn)題。螺旋槳空泡噪聲是潛艇隱蔽性中的重要問(wèn)題。因此，在高速水動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，空泡潰滅可以說(shuō)是工程應(yīng)用中的頭號(hào)敵人。
圖7 水輪機(jī)葉片典型的空蝕結(jié)構(gòu)破壞圖 (圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[4])
圖8 用9億網(wǎng)格模擬近壁面空泡潰滅過(guò)程 （圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[5]）
破壞大王空泡也可以為人類(lèi)所用
雖然空泡潰滅具有強(qiáng)大的破壞力，但只要加以正確的引導(dǎo)，其潰滅產(chǎn)生的能量也可以為人類(lèi)所用。
超聲清洗是空泡潰滅最常見(jiàn)的應(yīng)用方式。我們洗眼鏡用到的超聲清洗機(jī)、刷牙時(shí)用的聲波震動(dòng)式電動(dòng)牙刷，都是用超聲波的方式在水中產(chǎn)生大量小空泡，利用空泡潰滅的壓力來(lái)剝落污垢的。目前，空泡潰滅的原理在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已廣泛用于碎石（下圖）、吸脂、殺菌、造影、藥物輸運(yùn)、溶栓治療等等，甚至是美容領(lǐng)域（下圖）等等。
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