【CFD教程】水中翼型空化现象模拟

一、案例背景

空化是液体中出现局部低压产生空泡的现象，比如螺旋桨、水泵等空化会造成金属腐蚀。通过本案例模拟，将定性地看到具有翼型截面的水泵叶片高速运动时，表面出现的低压空泡区域。

本案例需要的输入文件和参数信息如下表：

图1  网格模型

二、 网格处理

1.  新建工程

a. 启动AICFD 2024R1；

图2  AICFD窗口

b. 选择 文件>新建，新建工程，选择工程文件路径，设置工程文件名，点击“确定”。

图3  新建工程

 三、网格划分

a. 单击菜单栏 网格> 导入体网格 ，导入外部生成的计算域网格文件；计算域是一个薄片，用准二维模拟三维。网格中间空的部分是翼型，周围是流体域；（点击下载模型文件）

图4  网格导入

四、求解设置

1. 求解模型设置

a. 设置求解模型。双击 求解> 求解模型，时间-稳态。流动-不可压。方法-湍流，下面默认；

图5  模型设置

b. 添加材料。选择 求解> 材料，本案例涉及2种，水和水蒸气，水是软件内置的，只需添加水蒸气。在材料处右键，添加材料，名称-水蒸气，类型-气体，材料特性里输入水蒸气的参数，密度0.023075，比热容1840，热传导率0.025，其余不变，确定，水蒸气就加好了。

图6  材料选择

2. 计算域设置

设置计算域。双击计算域设置，主相设为水，次相设为水蒸气。下一步保持默认，质量传递类型选空化，水蒸气饱和压力为3170，成核体积分数设为5e-04，这个是经验值，水泵空化问题常用。下一步默认；

图7  分配计算域

4. 边界条件设置

a. 双击 仿真> 流动分析> 计算域> 边界条件> Inlet，设置Inlet边界名称、边界类型，这个水泵工作环境是2米高，大气压减去2米水柱的压力，剩余约0.8个大气压，压力设为80000Pa。如图所示；

图8 Inlet定义

b. 双击 仿真> 流动分析> 计算域> 边界条件> Outlet，设置Outlet边界名称、边界类型，如图所示；

图9  Outlet定义

c. 双击 仿真> 流动分析> 计算域> 边界条件> Wall，翼型表面wall是壁面，留下，其余反选出来如图所示；

图10  Wall定义

d. 右击仿真> 流动分析> 计算域> 边界条件，这些面是流体域的前后上下面，只是因为仿真才框出这个区域，实际并不存在这些面，通常将其定义为对称面。在边界条件处右键，插入边界条件，命名为对称面，选择刚刚反选出的面，类型选对称面，确定，如图所示。

图11  边界条件定义

 5. 求解参数设置

双击 仿真> 求解控制 ，将相传输格式改为一阶迎风，增加稳定性；求解控制保持默认。

图12  求解参数设置

五、 初始化及求解计算

1. 初始流场设置

双击 仿真> 初始化，设置初始流场。速度设为X方向21m/s，压力设为出口压力80000Pa；

图13  初始化设置

2. 求解计算

选择菜单栏 求解> 求解> 直接求解> 并行，开始计算。

图14  运行求解器

图15  选择求解模式

六、 后处理

 1. 监控曲线

点击监控，查看残差曲线；

图16  残差曲线

2. 可视化结果

a. 创建面：单击菜单栏后处理> 面，点击Z法向，变量选压力，确定。

图17  创建面

b. 压力云图：单击菜单栏 后处理> 云图，读取机翼压力分布云图，颜色越蓝，代表压力越小，可看出翼型上表面出现了低压区；再把变量切换成密度，可看到翼型上表面密度低的区域，就是空化区。

图18  压力云图

c. 总结：通过仿真模拟定性地看到了水泵叶片高速运动时表面出现的空化区域。

图19  空化区域云图