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關於空化那些事兒——神奇的cavitation

不知道大家有沒有這樣的經歷,一個本來汩汩流水的水管,當你不斷擠壓它的時候,水流會變快,射程會更遠,與此同時,你也會聽到「滋滋叫」的聲音,甚至能看到裡面忽然多了很多氣泡,隨著水流飛速的旋轉。

就像這樣:

擠壓水管之所見

其實,那些氣泡(圖上紅色區域)裡面並不是空氣,而是水蒸氣。是的,你沒聽錯,在這個過程中,水已經由液態變成了氣態,這一現象,不叫沸騰,而是空化

空化最早在工程上被發現,並被廣泛研究是在船用螺旋槳上,因為空化的發生會降低螺旋槳的效率。不僅如此,當這些氣泡潰滅時,產生的局部高壓高速射流,還會破壞螺旋槳表面的氧化物,加速螺旋槳的鏽蝕。對於潛艇來說,還會產生很強的雜訊,增加被探測到的可能性。

荷蘭海事研究所的螺旋槳空化試驗

當然空化也不全是壞處,譬如小二現在正在做的高壓共軌柴油機噴油內流場模擬,空化就是一個非常重要的現象。對於高壓高速射流,空化的存在使得燃料霧化更加均勻,進而提高燃燒效率。

鑒於此,很有必要對空化有所了解。今天小二就來講講:

什麼是空化?

為何會產生空化?

在STAR-CCM+中怎樣模擬空化?

1 什麼是空化?

處於高速流動的液體,當某些區域的壓力低於液體的飽和蒸氣壓時,液體會經歷一個相變的過程,由液態轉化為氣態,該現象稱為空化。

這種相變會產生充滿蒸汽的空化氣泡,並伴隨有氣穴的產生和消亡,形成氣/液兩相流。

通常來講,水從液態到氣態的轉變,有以下兩種情況:

沸騰——在常壓下對水進行加熱直至達到其沸點

空化——在常溫下降低壓力到其飽和蒸氣壓(saturation vapour pressure)

水的三種形態與壓強、溫度的關係圖

上圖是水的三種形態(固、液、氣)與壓強和溫度的關係圖,兩種形態之間的白線代表的是轉化臨界線。液態和氣態之間的那條白線就是飽和蒸氣壓線。

我們在圖上添加三條輔助線,兩條縱線是0℃和100℃恆溫線,一條橫線是標準大氣壓恆壓線。

加三條輔助線

兩條線的交點(紅色方框處),就是我們常說的100℃沸點——即在一個標準大氣壓下,必須要將水加熱到100℃,才能實現由液態到氣態的轉變,這個現象我們在初中物理就學過,稱之為沸騰。

然而,沿著圖中紅色的箭頭方向,我們可以看出:當壓強降低時,溫度不必達到100℃,水也可以實現由液態到氣態的轉變,這一現象在工程上,我們就稱之為空化,英文是cavitation。

下面一個潛艇的紀錄片片段很好地解釋了這一過程,還附帶闡述了潛艇螺旋槳改善空化的措施(改用低轉速大側斜七葉螺旋槳)。

潛艇螺旋槳空化原理

2 為什麼會產生空化?

通過上面的分析,我們知道常溫下發生空化的主要原因是局部壓強的降低。那麼一般情況下,壓強為什麼會降低呢?是什麼流體力學現象引起的呢?

這就是伯努利方程。

在CFD中那些傻傻分不清的各種pressure這篇推送中,小二說,在不可壓縮流動中,忽略elevation(高程)的變化,伯努利方程可以寫為:

伯努利方程

從上面的表達式可以看出,當流速越大的地方,壓強則越小。當壓強低於水的飽和蒸氣壓時,就會引發空化的發生。

以螺旋槳為例,在其進行高速旋轉時,葉梢位置處速度很大,所以壓強變得很低,就很容易引發空化。

基於CFD模擬的螺旋槳空化

3 STAR-CCM+中空化的模擬

STAR-CCM+中提供了空化的模擬方法,下面以高壓共軌柴油機噴油嘴的空化模擬為例,簡單講述一下其模擬方法。

首先,建立VOF多相流模型,這裡的兩相分別是柴油及柴油蒸汽:

定義兩相流

然後,在多相流相互作用中,選擇主相和第二相:

設置主相和第二相

然後,選擇相應的空化模型:

選擇空化模型

STAR-CCM+提供了兩種空化模型,第二個是第一個的簡化,忽略了氣泡生長加速度、粘性以及表面張力等因素的影響。

取一六孔噴油器的1/6作為計算域,其幾何和網格劃分如下圖所示:

噴油器幾何和網格示意圖

計算結果如下:

噴嘴處的空化結果

可見,在噴嘴處確實發生了柴油的空化現象,而且很顯著,這將進一步提高燃料的噴射速度和霧化程度,有利於提高燃燒效率。

關於空化模擬的一般流程及具體操作步驟,可以參閱STAR-CCM+的幫助文檔,裡面有具體案例講解。

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