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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