三十一、Fluent空化模型
1. 概念? ? ? ??
流體中的聲波其實(shí)是一種壓力波，在液體中機(jī)械振動使其內(nèi)部壓強(qiáng)發(fā)生變化，當(dāng)壓力降低時(shí)候流體內(nèi)部或者在一些流固界面上會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂從而形成空腔，這種形成空腔的過程便稱為空化。
常見的便是船舶螺旋槳在水中的剝蝕
手槍在水中發(fā)射
Fluent多相流模型中，無論哪個多相流模型(VOF、Mixture、歐拉等)，在質(zhì)量傳輸界面都包含空化模型
2. 模型描述? ? ? ??
當(dāng)流體流經(jīng)銳邊孔板后，邊界層分離會引起的空化問題。流體由壓力驅(qū)動，進(jìn)口壓力為5.0e5Pa，出口壓力為9.5e4Pa?？装逯睆綖?e-3m，孔板幾何參數(shù)D/ D = 2.88, L/ D =4。其中，D、d、L分別為進(jìn)口直徑、孔口直徑、孔口長度
3. 基本設(shè)置? ? ? ??
3.1 導(dǎo)入網(wǎng)格：
使用Fluent軟件打開Chapter31.msh.gz網(wǎng)格文件，文件在本文末尾鏈接資源內(nèi)。
3.2 修改模型尺寸
在下面的Scaling Factors中的X和Y都輸入20，表示X軸和Y軸都擴(kuò)大20倍
注：Scale Mesh設(shè)置
1.上圖左邊Domain Extents表示的是模型在各維度上的尺寸，下面的View Length Unit in表示模型尺寸以什么單位顯示，這個選項(xiàng)只是顯示的不同，并不會改變模型大小。
比如，模型X方向2m，Y方向1m，View Length Unit in選擇cm，則Domain Extents顯示的是X方向200cm，Y方向100cm。只是單位改變了，但是模型尺寸并沒有變。
2.下面仔細(xì)說明一下Convert Units和Specify Scaling Factors的不同，兩種方法都可以真實(shí)的改變模型尺寸，但是方法有所不同。
3.Convert Units：是轉(zhuǎn)換單位，也就是同時(shí)改變X軸和Y軸的單位，改變了模型的大小。比如模型X方向2m，Y方向1m，選中Conbert Units，在Mesh Was Created IN下選擇cm，則Domain Extents顯示的是X方向0.02m，Y方向0.01m。
這里把本來的單位m改為了cm,但是因?yàn)閂iew Length Unit in仍然是以m為單位顯示，因此顯示X方向0.02m，Y方向0.01m。
這種方法可以同時(shí)對X和Y軸進(jìn)行縮小固定倍數(shù)，但是卻無法放大，也就是在上述操作模型尺寸縮小100倍后，無法使用上述方法使模型放大100倍。因此相對來說，第二種方法更好一些。
4.Specify Scaling Factors：指定縮放因子，當(dāng)選中此項(xiàng)時(shí)，可在Scaling Factors欄下輸入縮放因子。比如X欄輸入2，Y欄輸入0.5，則表示模型X方向放大2倍，Y方向變?yōu)樵瓉?.5倍?？蓪?shí)現(xiàn)第一種方法的所有功能。
3.3 求解器設(shè)置
基于壓力求解器，穩(wěn)態(tài)設(shè)置，2D Space選擇Axisymmetric。參考公眾號文章十四Fluent 2D Space設(shè)置https://mp.weixin.qq.com/s/32yn0lvopuKUVF7s1_rJjA
4. 設(shè)置計(jì)算模型? ? ? ??
4.1 多相流模型設(shè)置
選擇Mixture模型，不勾選Slip Velocity，單擊Apply。
高湍流不考慮氣泡的長大，因此不勾選重力。假定氣泡速度與液體的速度相同，不需要求解滑移速度。
4.2 湍流模型設(shè)置
選擇Realizable k-e模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，單擊ok
5. 材料設(shè)置? ? ? ??
5.1 添加water
在Materials下，單擊Create/Edit...，彈出如下面板。
Name輸入water-liquid，化學(xué)式輸入h2o，Density輸入1000，Viscosity輸入0.001。單擊Change/Create
5.2 添加水蒸氣
打開材料數(shù)據(jù)庫，選擇water-vapor，單擊copy
彈出water-vapor材料設(shè)置界面
Name輸入water-vapor，化學(xué)式輸入h2o-v，密度輸入0.02558，粘度輸入1.26e-06，單擊Change/Create
6. Phase設(shè)置? ? ? ??
6.1 相設(shè)置
左邊Phases選擇Primary Phase，Name輸入water，Phase Material選擇液態(tài)水。單擊Apply
次相Name輸入vapor，Phase Material選擇water-vapor，Diameter輸入1e-05，單擊Apply
6.2 空化模型設(shè)置
選擇Phase Interaction-Heat,Mass,Reactions.
From Phase選擇water，To Phase選擇vapor，Mechanism選擇Cavitation。
注：Note that the phase you select for From Phase must be a liquid if you plan to select cavitation, evaporation-condensation, or boiling from the Mechanism drop-down menu。相變模型中From Phase必須是液體，To phase必須是蒸汽
6.3 Cavitation設(shè)置
選擇Schnerr-Sauer模型，輸入氣泡數(shù)量密度Bubble Number Density為1e+13，空化壓力為3540，當(dāng)壓力達(dá)到3540pa時(shí)，液體氣化為蒸氣。
注：Schnerr-Sauer模型
Schnerr-Sauer模型用下列表達(dá)式將蒸汽體積分?jǐn)?shù)與氣泡數(shù)聯(lián)系起來：
式中的nb即氣泡數(shù)量密度Bubble Number Density
空化理論此處簡單提及，后面會單出一篇文章介紹
7. 邊界條件設(shè)置? ? ? ??
7.1 inlet邊界設(shè)置
選擇inlet，左下角Phase選擇mixture，設(shè)置為
Pressure Inlet。單擊Edit...，彈出如下頁面
Gauge Total Pressure輸入500000，
Supersonic/Initial Gauge Pressure輸入449000
Specification Method選擇K and Epsilon
Turbulent Kinetic Energy輸入0.02
Turbulent Dissipation Rate輸入1，
單擊Apply
注：此處出現(xiàn)的壓力含義可參考公眾號文章六Fluent出現(xiàn)的壓力大全解https://mp.weixin.qq.com/s/A68L7SJr8Whp_iOqaklwew
Inlet下的Phase選擇vapor，設(shè)置進(jìn)口蒸汽體積分?jǐn)?shù)為0，進(jìn)口全是液態(tài)水。
7.2 outlet邊界設(shè)置
選擇outlet，左下角Phase選擇mixture，設(shè)置為
Pressure outlet。單擊Edit...，彈出如下頁面
Gauge Total Pressure輸入95000，
Specification Method選擇K and Epsilon
Turbulent Kinetic Energy輸入0.02
Turbulent Dissipation Rate輸入1，
單擊Apply
outlet下的Phase選擇vapor，設(shè)置回流蒸汽體積分?jǐn)?shù)為0。
注：回流設(shè)置只有在流動出現(xiàn)回流時(shí)才會生效
7.3 axis邊界設(shè)置
選擇axis，左下角Phase選擇mixture，Type設(shè)置為axis，此邊界為旋轉(zhuǎn)軸
7.4操作條件設(shè)置
在邊界條件設(shè)置界面下方，單擊Operating Conditions，彈出如下界面。將操作壓力設(shè)置為0
8. 求解方法? ? ? ??
8.1 求解方法
Pressure-Velocity Coupling-Scheme選擇Coupled，
Pressure離散格式選擇PRESTO!
Momentum和Volume Fraction選擇QUICK
Turbulent Kinetic Energy 和Turbulent Dissipation Rate選擇一階迎風(fēng)格式
勾選Pseudo Transient和High Order Term Relaxation.
8.2 求解控制
Volume Fraction設(shè)置為0.3，其他保持默認(rèn)
8.3 殘差設(shè)置
將continuity, x-velocity, y-velocity, k,和 epsilon殘差設(shè)置為1e-05
9. 初始化? ? ? ??
選擇Hybrid Initialization
單擊More Settings...
勾選Use Specified Initial Pressure on Inlets，inlet邊界將被初始化為設(shè)置的進(jìn)口壓力。相當(dāng)于指定了混合初始化的部分?jǐn)?shù)值，有利于收斂。
10. 計(jì)算設(shè)置? ? ? ??
設(shè)置計(jì)算步長400步
11. 后處理? ? ? ??
11.1 體積分?jǐn)?shù)云圖
11.2 靜壓云圖
11.3 湍動能云圖
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