空化 — CAE术语解释
空化
老师，空化是导致泵损坏的现象吧？可以通过仿真预测吗？
空化的理论基础
空化的物理定义
空化，教科书上写着"液体中压力低于蒸汽压时气泡发生和消失的现象"，但具体在什么情况下压力会下降？
很好的问题。最典型的是在泵的叶轮或船舶螺旋桨的背面。流体沿着物体表面高速流动时，根据伯努利定理，局部压力会降低。例如，在转速3000 rpm的离心泵叶轮尖端，流速从30 m/s急剧下降的区域，静压可以下降几百kPa，对于水来说，在常温（25°C）下饱和蒸汽压约3.2 kPa，就会被超过。这是空化发生的首要条件。
气泡发生的压力阈值是饱和蒸汽压，这意味着水温越高空化越容易发生吗？
完全正确。饱和蒸汽压强烈依赖于温度。0°C时为0.6 kPa，50°C时为12.3 kPa，100°C时为101.3 kPa。换句话说，使用高温工作流体的系统，例如核反应堆一次冷却泵或地热发电泵，在低温下会以更低的流速、更低的转速开始空化。如果设计时不考虑这一点，会遭受意想不到的空化损伤。
听说气泡破裂时会产生冲击波和微射流，损害材料。破坏力有多大？
虽然非常局部化，但破坏力极大。气泡崩溃时产生的瞬间压力据理论可超过1 GPa（1000 MPa）。这是SUS304不锈钢屈服强度（约200 MPa）的5倍以上。这种高压在微秒级反复作用，导致金属表面产生点蚀。实际上，船舶螺旋桨和水力发电水轮机在几年内肉厚会侵蚀几个百分点，这是严重的问题。
空化的数值计算方法
空化的数值建模
用CFD模拟空化时，如何处理气相和液相？需要为每个阶段单独建立网格吗？
不用，通常在"多相流模型"中使用"欧拉-欧拉方法"，在每个计算单元中定义气相体积分率（Void Fraction）
"源项"的具体形式是什么？气泡核是如何设置的？
以Schnerr-Sauer模型为例，蒸汽生成率（凝聚率）
计算似乎容易变得不稳定，求解器设置中特别需要注意什么？
首先，压力-速度耦合推荐使用"Coupled"算法。气相和液相的密度比接近1000倍，分离解法（如SIMPLE）会导致收敛非常缓慢或发散。此外，时间步长必须足够小才能捕捉空化动力学。通常是用叶轮旋转360步的非定常计算。采用高阶精度（二阶及以上）的格式，防止数值扩散模糊气泡界面。
空化的实际应用
空化分析工作流
真正开始泵的空化分析的话，应该从哪里开始？
首先做"无空化条件下的单相定常解析"。这可以验证是否能正确再现泵的基本性能（扬程、效率）和压力分布。如果这里就不对，空化解析的结果也不能信任。使用的湍流模型用SST k-ω模型比较好，能捕捉壁面附近的压力梯度。不要忘记叶轮和外壳之间的间隙建模，这会影响泄漏流和压力场。
单相解析确认后，就打开空化模型，直接在设计转速下进行解析可以吗？
危险。首先要设置分析条件来获取"NPSH（净吸入压头）特性曲线"。逐步降低吸入压力（或提高转速），找到空化开始发生的临界点（NPSH3：扬程下降3%的点）。例如，在额定转速下，从大气压开始，每5 kPa的步长降低吸入压力。在这个过程中，用非定常计算追踪气泡在哪里发生、如何生长和消失。
在评估结果时，看哪些云图可以判断"危险的空化"？
主要看三个方面。1. 蒸汽体积分率（Vapor Volume Fraction）云图（0.1或0.5的等值面）：气泡云的大小和位置。覆盖整个叶轮背面是危险的。2. 壁面压力分布：蒸汽压以下的区域（<3.2 kPa）的面积和深度。3. 气泡崩溃位置：看压力梯度，气相率在高压区急剧降为0的地方，那就是"破裂点"，会受到微射流冲击。综合这些，与ISO 9906或HI 9.6.1等泵规格定义的NPSH许可值比较。
空化的软件对比
主要CAE软件的空化功能
用Ansys Fluent和Siemens Star-CCM+进行空化分析时，模型选择和设置的差异大吗？
基本物理模型相同，但实现和用户界面有区别。Fluent中选"Multiphase Model"为"Mixture"或"Eulerian"，然后在"Cavitation"模型中选择"Schnerr-Sauer"、"Zwart-Gerber-Belamri"、"Singhal"等。Star-CCM+中在"Multiphase"段中选"VOF"或"Eulerian Multiphase"，然后应用"Cavitation"模型。Star-CCM+沿着模型树的设置比较直观，参数探索比较容易。
专用泵分析软件ANSYS CFX，以及网格灵活性著称的OpenFOAM怎么样？
CFX中"Homogeneous Multiphase Model"集成了基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型。与叶轮机械的"Frozen Rotor"或"Stage"界面兼容性高，在泵和水轮机行业中根深蒂固。OpenFOAM中可以使用"interPhaseChangeFoam"求解器等，实现了"Kunz"、"SchnerrSauer"、"Merkle"等模型。最大优势是用户可以直接用C++定制模型和源项，适合研发。
用这些软件计算的结果在软件间会有很大差异吗？
使用相同的物理模型（例如Schnerr-Sauer），如果网格质量、时间步长、收敛标准严格相同，定量结果（NPSH3值、气泡云的整体形状）基本一致。但由于每个软件的默认求解器设置（松弛系数、格式混合率）和默认气泡核参数不同，用默认设置直接计算会出现差异。特别是，伴随气泡崩溃极其局部压力尖峰的预测值容易受到数值扩散影响，在软件间差异较大。
空化的故障排除
空化分析的常见问题
运行解析时，整个流路变成白色（气相率为1），不收敛。应该检查哪里？
首先看边界条件。最常见的是"压力出口"的设置错误。如果出口压力设为"静压0 Pa（表压）"，整个计算区域的压力会被拉到蒸汽压以下，液体整体"沸腾"。正确做法是根据系统动作压力设置背压。例如，在大气压下运行的泵出口可以设"静压0 Pa（表压）"，但密闭系统要设该系统的动作压力（如200 kPa）。初始条件的气相率用默认值0，设成很小的值（1e-6）会比较稳定。
气泡云产生了，但形状锯齿状很非物理。细化网格也改善不了。
这不是数值扩散问题，可能是"时间步长太大"。空化界面移动速度快。如果时间步长
实验中NPSH3是5 m，但仿真中是7 m，过度估计了。应该调整模型的哪个参数？
首先调"气泡核数密度"。默认值（例如Fluent的Schnerr-Sauer模型，初始半径1.0e-6 m，数密度1.0e+13）是为清水设计的。实际流体含有大量微粒杂质或溶解空气，空化更容易发生。增加数密度到1.0e+14或1.0e+15，NPSH3（空化开始点）会更接近实验值。但这是"校准"，应该基于实际流体物性数据。随意调整会导致气泡云行为变得不现实。
非定常计算结果中，气泡云以一定周期振动。这是物理现象还是数值不稳定？
这很可能是"附着空化"伴随的"空化振动"或"脱落"这样的物理现象。气泡云生长到遮挡流动时，背后压力恢复，云剥离和崩溃。这个周期与叶片通过频率或流路固有频率有关，是结构振动和噪音的原因。要区分是数值不稳定，计算振动频率，进一步细化网格和时间步长，看同样频率是否出现。物理现象的话，主要频率不随网格和时间步长变化。
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