空化现象

空化现象是指液体局部压力降至饱和蒸气压以下时，液体中形成蒸气空洞（空化泡）的现象。发生在泵叶轮、船舶螺旋桨、阀门节流部等高速流场中。

沸腾以温度上升为驱动力，空化则以压力下降为驱动力。空化中气泡向高压区移动时会急速崩壊，产生数千气压的冲击波和局部高温点。这是侵蚀的原因。

首先空化数是基本参数。

CFD中均质混合模型主要应用，在蒸气体积分率 $\alpha_v$ 的输运方程中添加源项。

让我们比较代表性的空化模型。

基础的Rayleigh-Plesset方程描述球形气泡的生长。

第四项是粘性衰减，第五项是表面张力。CFD模型从忽略二阶项和粘性项的简化形式推导蒸发速率。

一般水中 $n_0 = 10^{13}$ /m³是默认值。在Schnerr-Sauer模型中，通过 $R_B = \left(\frac{3\alpha_v}{4\pi n_0}\right)^{1/3}$ 求得气泡半径，计算蒸发速率。

在蒸气区域混合体的音速急剧下降，压缩性效应显著。水/蒸气混合体的音速远低于纯水（约1500 m/s），可降至数m/s。

因此压力-密度耦合强，压力基求解器推荐使用Coupled算法。在某些情况下密度基求解器更稳定。

标准k-ε过度评估湍流粘性，抑制空化泡的非定常性。Reboud修正有效。

用 $n \approx 10$ 可降低混合区的湍流粘性，再现空化泡的脱落。SST k-ω在空化现象解析中也显示良好结果。

要捕捉非定常云状空化的细节需要DES、DDES或LES。

interPhaseChangeFoam 是支持空化现象的VOF求解器。在 constant/transportProperties 中指定模型。可从SchnerrSauer、Kunz、Merkle中选择。

在Multiphase Model中选择VOF或Mixture，启用Cavitation Model。Zwart-Gerber-Belamri为默认值，蒸发系数 $F_{evap} = 50$ ，凝结系数 $F_{cond} = 0.01$ 为标准值。非对称系数反映崩坏比蒸发更快。

以泵叶轮解析为例说明。

1. 单相定常解析：不考虑空化现象完全收敛流场

这是泵空化性能的标准评估方法。

逐步降低入口全压，各条件下进行定常计算，绘制扬程变化。扬程降低3%的点就是NPSH3%（required NPSH）。需要10～15个计算工况，从前面工况重启可提高效率。

定量侵蚀量预测困难，但侵蚀风险的相对评估可行。以空化泡崩坏时的壁面冲击压为指标。Fluent的cavitation erosion indicator、STAR-CCM+的erosion risk index可利用。对设计变更案的比较有用。

空化噪声预测。空化泡崩坏时的压力变动作为音源，用Ffowcs Williams-Hawkings方程计算远场噪声。潜水艇的隐蔽性能和声纳设计中重要。

有几个方向。

薄片状空化泡后端周期性崩坏放出气泡云。Re-entrant喷气和冲击波传播引起的崩坏机制竞争，周期性为 $St = fL_c / U_{\infty} \approx 0.2$～0.3。

LES/DES捕捉这种非定常行为的研究活跃，Schnerr（TUM）和Bensow（Chalmers）的研究组取得领先成果。

液体氢或液体氮中蒸发潜热吸收降低局部温度，蒸气压也下降。这种热力学效应抑制空化。用B-factor评估。

火箭发动机涡轮泵设计（NASA、JAXA）的重要课题。Fluent、CFX有热力学效应的附加模型。

壁面附近气泡崩坏出现非球形变形，向壁面喷射微小喷气（数百 m/s）。直接求解这个的DNS进展中，Tinguely（ETH）和Johnsen（Michigan）的研究组有代表性。

用CNN/GAN进行空化初生预测和侵蚀风险评估的研究增加。CFD非定常计算计算成本高，期待通过代理模型进行实时预测。

一个一个看。

症状：实验发生空化的条件下CFD中未产生蒸气。

对策:

对策:

蒸气区的急剧密度变化使压力方程不稳定。对策是单相解完全收敛→启用空化的两段式方法、使用Coupled求解器、足够小的时间步。

对策: