如何使用 CFD 解决泵和螺旋桨设计中的气蚀问题

Fidelity CFD 2023年6月27日浏览：1685

作者：Wout Poncelet，Cadence 产品工程经理

气蚀是一种现象，其中流体压力的快速变化导致在压力相对较低的地方形成充满蒸汽的空腔或气泡。由于气泡在承受较高压力时内爆，可能会导致结构损坏，但也会导致不稳定和噪音增加。尽管如此，它仍然是 CFD 工程师必须解决的最具挑战性的主题之一。它发生在许多领域，例如船用螺旋桨、水翼、鱼雷、泵等。许多出版物都涵盖了该主题，有时从另一个角度，从空化开始到其实际物理建模，使用实用的方法或更复杂的模型。Cadence 希望通过这篇博客文章分享其一些专业知识，总结最先进的 CFD 技术用于气蚀预测并涵盖不同的应用和 CFD 功能，以满足工程师的需求。

空化起始

为了最初研究空化的产生，工程师可能会倾向于只查看 3D 场中的压力水平。标记出总压力标量场低于蒸气压的所有位置，以便可以计算可能发生空化的总体积。这种方法无法准确预测空化及其后果，但它已经可以提供良好的洞察力。这就是 Naval Group 的 Sirehna 在 2016 年 Nutts 出版物中所做的。无论选择哪种方法，精确的压力场都是必要的。因此，他们使用了动态和局部细化的网格方法，其中压力粗麻布是最重要的。

如何使用 CFD 解决泵和螺旋桨设计中的气蚀问题的图1

无局部细化（左）和动态网格自适应（右）

空化建模

为了模拟空化的物理现象，第一种方法使用单一流体方法。密度和静压的演变通过强大的正压定律联系起来，从而能够对空化现象进行宏观模拟1。用户输入很少，并且不需要额外的传输方程。正压定律用于评估作为单元中局部静压函数的局部密度。根据密度的局部值和相应的蒸气压，计算单元可以被认为完全充满液体（= L）、蒸气（= V）或两者的混合物。基本余弦函数确定混合区域中正压定律的轮廓。

如何使用 CFD 解决泵和螺旋桨设计中的气蚀问题的图2

在下面的例子中可以很容易地理解正压定律方法，它显示了密度和局部压力之间的直接关系。事实上，我们可以看到，当压力低于饱和压力时，在使用正压定律的情况下，局部密度如何下降到蒸气和液体的混合物。

如何使用 CFD 解决泵和螺旋桨设计中的气蚀问题的图3

在 CFD 中模拟空化的另一种方法是求解蒸汽质量或体积分数的附加传输方程。存在 Singhal3、Zwart4、Tani5、Merkle6、Kunz7、Sauer8 等不同模型。该模型将压力与饱和压力相关联，以确定基于气泡动力学瑞利-普莱塞方程的源项。当然，它们需要仔细处理和验证其系数。可以包括热效应。

当需要非常精确地描述压力和焓函数的密度时，建议使用热力学表。热力学表包含特定流体的真实热力学性质。它们被引入混合物的纳维-斯托克斯方程中，并提供真实流体的建模，同时考虑饱和压力的正确热敏性。

外部空气动力学应用

正压定律的一个简单应用是 45 度圆锥体上的空化流，正如 Rouse 和 McNown 在 1948 年所研究的那样。空化的增加由较低的空化数决定，反映在压力系数分布的流向分布中。正压定律提供了空化流解的准确预测。

如何使用 CFD 解决泵和螺旋桨设计中的气蚀问题的图4

涡轮机械应用

典型的气蚀应用是生成泵的 NPSH-Head 曲线。该曲线显示了泵的扬程将如何随着净正吸入扬程 (NPSH)（泵的入口压力与蒸汽压力之间的差值）而降低。通过分析下面的曲线，泵用户可以获知气蚀的开始情况，以及在气蚀变得过于强烈之前，他们可以在特定的工作点操作泵（通常称为 NPSHr，例如，对应于 NPSHr）。 3%）。高气蚀现象是泵产生的扬程的巨大损失。对于 NPSH（所用系统的函数）和 NPSHr（所安装泵的属性），使该 NPSH 高于 NPSHr 至关重要，以避免泵损坏和无法忍受的噪音。

如何使用 CFD 解决泵和螺旋桨设计中的气蚀问题的图5

NPSH 扬程曲线可以通过在泵的定义工作点逐步增加蒸气压来进行数值计算。蒸汽压的增加将导致 NPSH 减小、气蚀面积增大，并且当气蚀变得过于广泛时泵扬程下降。下面给出了 SHF 泵的示例。人们可以看到泵叶片前缘处的气蚀如何增加，而 NPSH 则不断减小，直到覆盖了叶片的一大部分。

如何使用 CFD 解决泵和螺旋桨设计中的气蚀问题的图6

网格划分策略

所有这些测试用例都有一些共同点：由于我们正在寻找局部流动特性、压力梯度、薄层或空化气泡，因此必须具有密集且均匀的网格。如果没有这样的网格，正确的物理很容易丢失，甚至无法捕获。此外，大多数时候，空化是一种不稳定的现象，因此很难预测。它将位于哪里？会有多激烈？诸如此类的问题就是为什么要实施基于空化准则的动态网格自适应。在模拟过程中，解算器会在必要时调整网格并进行细化，以揭示过于粗糙的网格上是否存在空化。