Оценка того, будет ли протекать поток через клапан или сопло

Насколько я понимаю, кавитация происходит в потоке жидкости, когда статическое давление падает ниже давления пара, даже периодически. Таким образом, даже если усредненное по времени статическое давление (которое вы можете измерить) выше давления пара, колебания давления из-за турбулентности или другой неустойчивости могут быть достаточно большими, чтобы вызвать локальную кавитацию. Поэтому сравнения усредненного по времени статического давления с давлением пара недостаточно; Вам необходимо добавить дополнительную подушку для учета колебаний давления. (Это моя интерпретация, не слишком углубившись в это.)

Итак, в различных книгах, на веб-сайтах и в журнальных статьях я видел два разных типа безразмерных чисел для оценки, кавитирует ли поток через клапан или сопло. Их обычно называют индексом кавитации или числом кавитации. Они принимают одну из двух форм:

σ = \frac{p_{in} - p_{vapor}}{p_{in} - p_{вне}}

$\sigma = \frac{p_\text{in} - p_\text{vapor}}{p_\text{in} - p_\text{out}}$

или

σ знак равно \frac{п_{в} - п_{пар}}{\frac{1}{2} ρ В^{2}}

$\sigma = \frac{p_\text{in} - p_\text{vapor}}{\tfrac{1}{2} \rho V^2}$

где - давление на входе, - давление на выходе, - давление пара, - плотность жидкости, а - некоторая характерная скорость потока (скажем, в случае сопла, скорость на выходе). Некоторые формы этого числа являются инверсиями чисел, приведенных выше, но они ничем не отличаются. $p_\text{in}$ $p_\text{out}$ $p_\text{vapor}$ $\rho$ $V$

В чем разница между этими параметрами? На основе сохранения энергии вы можете связать перепад давления с расходом, но обычно для учета неидеальности добавляется эмпирический коэффициент. Есть что-то еще, что мне не хватает?

Одна форма предпочтительнее другой? Наилучшее, что я могу сказать, использовать ли одно или другое, зависит от того, какого рода данные у вас есть (поэтому для потока через лопатку турбины предпочтительна форма скорости), но я видел оба, даже для форсунок.

Где я могу получить точные данные для прогнозирования кавитации на основе этих чисел? Я пытался использовать некоторые данные о форсунках распылителей из разных журнальных статей, но обычно они используют разные формы числа кавитации. Некоторые данные предполагают, что поток через сопло будет кавитировать при желаемом давлении, но другие данные для подобных сопел предполагают, что этого не произойдет. Я не уверен, каков источник несоответствия. Мое понимание может быть ошибочным, модель чисел кавитации может быть слишком упрощенной, данные могут быть неточными и т. Д.

mechanical-engineering fluid-dynamics multiphase-flow

— Бен Треттель
источник

Разница между двумя уравнениями

$V$ $V_{in}$ $p_{in}$

Одна форма предпочтительнее другой?

Из всего моего опыта работы в исследованиях кавитации в течение многих лет мы почти всегда использовали последнее уравнение, которое вы упомянули (хотя я в основном работал на подводных крыльях и силовых установках). Причина в том, что мы могли бы получить более точные неинтрузивные измерения скорости с помощью лазерной допплеровской велосиметрии (LDV), чем с помощью навязчивого метода.

Где я могу получить точные данные для прогнозирования кавитации на основе этих чисел?

Трудно использовать экспериментальные данные для прогнозирования числа кавитации из-за различий в таких вещах, как интенсивность турбулентности и содержание ядер воздуха, которые в действительности трудно сопоставить с контролируемыми лабораторными методами. Традиционно, в моих кругах, это делается с помощью некоторых кодов анализа CFD на вашем дизайне. Здесь есть два разных подхода: (1) вычисление среднего среднего потока с использованием техники RANS или LES и (2) использование кода динамики пузырьков, который будет моделировать ядра воздуха, но требует поля потока (либо из экспериментальных измерений, либо из от модели CFD). Если вы используете типичную модель RANS CFD для расчета поля потока, она должна дать вам коэффициент давления, который очень похож на определение числа кавитации:

С_{п} знак равно \frac{п - п_{\infty}}{\frac{1}{2} В^{2}}

$C_P = \frac{P-P_\infty}{\frac{1}{2}V^2}$

Если вы выполняете какой-то расчет CFD на своем сопле, вы должны найти место минимального давления, и именно здесь должна произойти кавитация. Вы можете вывести число кавитации из этого коэффициента давления как:

σ знак равно - С_{п}^{м я N}

$\sigma = -C_P^{min}$

$C_P^{min}$

Если вы хотите получить более точное число, вы должны учитывать, что для начала кавитации требуется три события одновременно: (1) локальная область давления, которая ниже давления паров воды, (2) ядра воздуха который входит в эту область низкого давления, и (3) ядра воздуха должны находиться под низким давлением в течение достаточно значительного времени, чтобы оно в основном быстро росло, становилось нестабильным и, следовательно, разрушалось. Люди смогли точнее оценить это, используя метод Лагранжа, который имитирует отправку ядер воздуха через набор данных Eulerian CFD. Некоторые из настоящих экспертов в этой области - люди из Dynaflow-inc.com. Я мог бы предложить взглянуть на эту статью:

Чейн, Г.Л. «Влияние ядер на возникновение кавитации и шум», 25-й симпозиум по гидродинамике ВМС, Сент-Джонс, Н.Л., Канада, 8-13 августа 2004 г. PDF здесь

$p'$

— Wes
источник

Это отличный ответ! Вы обратились ко многим вещам, о которых я не знал, и, конечно, сэкономили мне много времени. Благодарю. Я могу опубликовать некоторые дополнительные вопросы в будущем здесь на эту тему.

— Бен Треттель

Конечно, нет проблем. Не стесняйтесь спрашивать больше. Я провел довольно много лет, специализируясь на моделировании кавитации и, в частности, пытаясь предсказать начало кавитации, но я больше не работаю в этой области. Итак, я рад, если другие могут использовать знания. Одна из классических книг по этому вопросу находится здесь: amazon.com/Cavitation-Bubble-Dynamics-Engineering-Science/dp/…

— Уэс