基于FLUENT软件的水力空化数值模拟

大连理工大学

硕士学位论文

基于FLUENT软件的水力空化数值模拟

姓名：王智勇

申请学位级别：硕士

专业：化学工程

指导教师：赵宗昌;张晓冬

20060601

大连理工大学硕士学位论文

空泡破裂。因此，单个空泡的潜在破坏性或溃灭压力沿空化群中心逐渐增加。第三种模型更适于解释现有的空泡溃灭时的情形［１９１。

图１，３表示液体中单个空泡的渍灭，这个空泡是由高能量的超声波产生的‘捌。

图１．３单个空化泡的溃灭过程（曝光速率：２０００００００ＦＰＳ）

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图１．４为空泡的射流一溃灭模式及微射流的形成【３１。

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糯（１）附着壁面的半球形空泡

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（２）空泡移入压力梯度区

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由于轴对称性，只需要选取文丘里管轴截面的一半作为研究对象。计算采用的网格为非结构化网格，相对于结构化网格，非结构化网格计算过程比较复杂，但局部加密比较容易，适应性较强，易于显示流场的细微结构。

图２．４网格划分

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２．５４计算策略及步骤

本文使用基于有限体积法的计算流体力学软件ＦＬＵＥＮＴ进行模拟计算。在ＦＬＵＥＮＴ中，多相流模型采用ＭＩＸＴＵＲＥ模型，它适用于气相体积率很低的泡状流；压力一速度耦合采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法，它是一种改进的ＳＩＭＰＬＥ算法，有利于加速迭代过程中解的收敛；压力的离散采用ＰＲＥＳＴＯ！格式，它特别适用于高曲率体内的高速流动。

在ＦＬＵＥＮＴ中，具体计算过程的步骤如图２．５所示：

首先，将前处理器ＧＡＭＢＩＴ生成的网格文件导入解算器ＦＬＵＥＮＴ中：

确定控制方程，就是选择湍流模型、多相流模型、空化模型等模型的控制方程；

指定物性参数，就是确定工作流体和文丘里管的物理性质：

确定边界条件及初始条件，边界条件及初始条件是控制方程有确定解的前提，控制方程与相应的边界条件及初始条件的组合构成对一个物理过程的完整数学描述。其中，边界条件是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随时问地点变化的规律，只有给定了合理边界条件的问题才有可能计算得出流场的解；初始条件是指所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况：对于边界条件及初始条件的处理，直接影响到计算结果的精度；

设定求解控制参数，就是设定模型的经验系数、迭代计算的各参数的控制精度等，在实际计算时，这些参数对计算的精度、速度等都有霪重要的影响：

最后，进行迭代计算，如果所得的解是收敛的，那么显示和输出计算结果，并对其进行必要的后处理；如果不收敛，则重复上述过程直至收敛。

基于ＦＬＵＥＮＴ软件的水力空化数值模拟

图２．７文丘里管中汽含率分布

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（３）管壁的汽含率分布

对于水力空化而言，空化过程往往发生在流体与固体壁面的交接面及附近区域。因此，有必要再对管壁处的汽含率分布进行考察。

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图２．８文丘里管壁汽含率分布

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基于ＦＬＵＥＮＴ软件的水力空化数值模拟

（２）汽含率分布

从图中可看出，汽含率的最大值出现在文丘里管喉部的拐角处；在喉部与出口之间扩张部分，除有一处存在着较小的汽含率分布外，其它部分均为零。

图２．１０文丘里管中汽含率分布

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（３）管壁的汽含率分布

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图２．１ｌ文丘里管壁汽含率分布

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里管喉部的前端压力突然降低、速度突然增大，从而产生空化：在文丘里的扩张段随着压力的回升空泡尺寸变大，最后空泡溃灭。

图２．１３文丘里管中汽含率分布

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（３）管壁的汽含率分布

从图２．１４中可看出，蒸汽空泡分别出现在文丘里管喉部的前后拐角处；在入口与喉部之间的收缩部分汽含率几乎为零；在喉部与出口之间的扩张部分汽含率逐渐减小。其中，汽含率的突然增大和突然降低分别表示蒸汽空泡的生成和溃灭。

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