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空化模型的原理与工程应用

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在计算流体动力学(CFD)中,模拟空化现象是一个复杂且重要的问题,因为它涉及到多物理场的相互作用,包括流动、传热和相变。空化是指液体在局部压力下降到饱和蒸汽压以下时发生汽化形成气泡,随后这些气泡在高压区又可能溃灭,产生极大的局部压力冲击和强烈的流动不稳定效应。在工程应用中,例如船舶螺旋桨、水力机械、喷嘴等设备的设计与分析中,准确预测空化现象至关重要。
           
 

一、空化现象的动态过程

空化现象产生的原因主要涉及液体中局部压力下降到饱和蒸气压以下,导致液体内部形成气泡(或空穴),这些气泡随后在高压区重新坍塌并产生一系列效应。以下是空化现象发生的详细原因和过程:
1. 压力降低:
   - 在流体动力学应用中,当液体流动经过狭窄区域、快速改变方向的部件(如泵叶轮)或者受到外部扰动(如超声波或爆炸冲击波)时,局部速度增加可以导致静压显著下降。
   - 如果这个局部压力低于液体在其当前温度下的饱和蒸汽压,液体中的溶解气体将迅速析出形成气泡。    
   - 同样,在离心泵操作中,如果安装高度过高、入口管道阻力过大或出口阀开度过大导致吸液口处的压力降至临界值以下,也会出现类似情况。
2. 气泡形成与增长:
   - 气泡在低压环境中形成后,随着周围环境压力逐渐恢复,气泡可能继续膨胀直到达到最大尺寸。
3. 气泡崩溃:
   - 当气泡移动到一个较高压力区域(如靠近固体表面或流场中压力升高的位置)时,气泡会因无法承受周围液相的高压力而迅速崩溃。
   - 空泡破裂时,会在极短的时间内释放大量能量,形成高温、高压瞬态微射流,并伴随激波传播,对周围材料造成机械破坏,这种现象称为“空蚀”或“汽蚀”。
4. 物理化学影响:
   - 空化过程中,气泡内部的极端条件可引发化学反应加速、液体分子间的强烈剪切和碰撞以及放电现象等。
   - 超声波清洗技术就是利用空化效应来粉碎液体内悬浮物、杀灭细菌或去除物体表面污垢。
总结起来,空化现象是由于液体中的局部负压引起的气泡形成、生长和随后在正压环境下迅速崩溃这一系列动态过程的结果。这一过程不仅限于流体机械中,也可以在许多其他领域,包括医学成像、材料处理和水下航行器推进等领域观察到。    
          
 

二、空化现象机理

Fluent中的两种主要空化率模型是:
lZwart-Gerber-Belamri (ZGB)模型:这是一个基于空化率的混合模型,考虑了空化核心的生成、发展以及消散过程,适用于稳态和非稳态的连续空化现象。ZGB模型建立在空化率(Cavitation Number, Ca数)的基础上,通过控制空化区域的发展和消散来描述空化现象。在ZGB模型中,空化率通常定义为局部参数,其公式可以表达为:
ZGB模型的核心是基于空化率演化方程来追踪空化发展状态,这个方程通常是非线性的,并结合了反映空化核心生长、合并及溃灭效应的经验关系。然而,具体的机理公式没有在原始文献或者标准文档中直接给出详细形式,因为这些公式可能包含多个修正项并根据具体应用进行调整。    
但一般来说,空化率的变化会受到局部流动条件的影响,并且可以通过一组耦合的偏微分方程来描述,其中包括空化核心的增长、移动以及空化区域内的流体动力学特性。模型还包括一个临界空化率阈值,当实际空化率低于此阈值时,认为该区域发生空化;反之,则为空化消散。
lSchnerr-Sauer模型:该模型是一种更高级的两相流模型,结合了Rayleigh-Plesset方程来描述汽泡的动力学行为,并考虑了空化诱导的压力波传播和空化区域内的湍流效应。
Schnerr和Sauer在2001年提出了这个模型,它通常被用来处理连续到瞬态的空化过程,并且适用于雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)框架下的多相流模拟。该模型的关键在于通过引入一个局部空化数(Local Cavitation Number, Ca_l)来描述空化的发生和发展状态:
Schnerr-Sauer模型的核心机理公式是关于空化体积分数(cavitating volume fraction, α)的时间演化方程,这是一个耦合的动力学方程,可以表述为如下形式(简化的表示):
此外,该模型还涉及空化引起的额外源项,这些项被添加到原始的动量和能量守恒方程中以反映空化过程中产生的非线性效应,例如由于压力波传播导致的能量交换。    
在实际应用中,Schnerr-Sauer模型需要结合特定的湍流模型,并且可能根据不同的应用场景和流体特性进行参数调整或修正,以便更准确地模拟复杂的汽蚀现象。

       

三、空化的工程应用

空化现象在工程领域的应用广泛,其独特的物理效应可以被用于多种目的。以下是一些主要的工程应用:
              
      
 
1. 超声波清洗:
   - 利用超声波在液体中产生的空化效应,形成无数微小气泡并迅速塌缩,产生局部高温、高压环境,以达到高效清洁的目的。这种技术在精密零件、电子元件和医疗器械等高精度清洗领域非常有效。
2. 材料处理与表面改性:
   - 在超声波加工中,空化作用能够对材料进行精细打孔、切割、抛光和焊接等操作。例如,在金属或非金属材料上制造微细结构,以及通过空化冲击改善材料表面性能。
3. 水力机械效率优化:
   - 在船舶推进器(螺旋桨)和水轮机设计中,了解和控制空化现象至关重要。避免空化的发生可以提高设备的效率,减少能量损失和机械损坏;而有时也利用可控空化来改善流体动力学特性,如采用特定空化设计增强推进效能。    
4. 废水处理与消毒:
   - 空化现象可用于有机废水处理中,通过空化作用产生的瞬时高温和压力破坏有害物质的分子结构,实现污染物的降解,并且空化过程中的强烈剪切力也有助于分散颗粒物。此外,空化还可以杀死水中的细菌和病毒,作为一种环保型消毒手段。
5. 生物医学应用:
   - 在药物传递和组织破碎等领域,超声诱导的空化可以促进药物穿透细胞膜进入目标组织,或者用于无创性的微创手术,比如碎石术(肾结石和胆结石治疗)。
6. 食品工业:
   - 在食品加工过程中,温和的空化作用可用于乳化、均质、粉碎和混合原料,同时还能通过破坏食物中的微生物结构达到杀菌效果,提高食品安全性和保质期。
7. 能源转换:
   - 虽然尚处于研究阶段,但科学家们正在探索如何利用空化产生的极端条件(高温、高压)来实现潜在的能量转换机制,比如声致发光或核聚变反应的可能性。
总之,空化现象凭借其强烈的能量释放及瞬间物理化学变化特点,在多个工程领域展现出了重要的应用价值和潜力。

来源:CFD饭圈
ACTFluent碰撞非线性多相流化学湍流船舶电子UM焊接材料
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首次发布时间:2024-09-08
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