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氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于管道內(nèi)的液體突然由于結(jié)構(gòu)的幾何通流面積改變，而引起了流動(dòng)液體某處的壓力低于空氣分離壓，原先溶解在液體中的空氣就會(huì)游離出來(lái)，使到液體中產(chǎn)生大量的氣泡，這種現(xiàn)象稱之為氣穴現(xiàn)象。

氣穴現(xiàn)象會(huì)使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，也會(huì)使到裝置的表面收到腐蝕，甚至?xí)?dǎo)致在工作中的閥門產(chǎn)生嚴(yán)重的泄露、破壞等多種危害。由于氣穴現(xiàn)象帶來(lái)的諸多不理影響，因此，合理的流道在設(shè)計(jì)中顯得非常關(guān)鍵，研發(fā)工程師可以在SOLIDWORKS完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，并且通過(guò)SOLIDWORKS Flow Simulation完成氣穴現(xiàn)象的評(píng)估，最終可以根據(jù)是否出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象以判斷是否需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)流道再設(shè)計(jì)工作。下面將以一個(gè)案例step by step完成氣穴現(xiàn)象的模擬。

原文鏈接：氣穴現(xiàn)象在SOLIDWORKS Flow Simulation中的實(shí)現(xiàn)

如下圖1所示為閥門，通過(guò)旋緊機(jī)構(gòu)控制了該閥瓣的一定的開(kāi)度，兩側(cè)分別為流入、流出的管道，管道以0.1m^3/s的體積流量流入，流動(dòng)介質(zhì)為水，流出出口直連大氣，我們需要在Flow Simulation中模擬該條件下，在這種閥門的開(kāi)度情況下，是否會(huì)出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。

圖1 閥門結(jié)構(gòu)圖

STEP 1：打開(kāi)SOLIDWORKS，并在插件中激活“Flow Simulation”，如圖2所示。

圖2 Flow Simulation插件

STEP 2：由于水在閥門中的流動(dòng)屬于內(nèi)部流動(dòng)，因此需要?jiǎng)?chuàng)建封蓋，將進(jìn)口、出口用封蓋功能密封，以在后面的分析中，創(chuàng)建邊界條件，如圖3所示。

圖3 創(chuàng)建封蓋

STEP 3：創(chuàng)建“內(nèi)部流動(dòng)+氣穴現(xiàn)象”的向?qū)Чぷ髁?，分別如下：

最終建立如圖4的Flow Simulation的流體仿真工作流，并且需要考慮流動(dòng)介質(zhì)“水”是否會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng)。

圖4 內(nèi)部流動(dòng)工作流

STEP 4

定義邊界條件，由上可知，進(jìn)口處的邊界條件為體積流量，0.1m^3/s，由于出口直通大氣，因此，出口的邊界條件為壓力邊界，在SOLIDWORKS Flow Simulation中，所提的壓力均為絕對(duì)壓力，因此，出口的壓力應(yīng)該為101325Pa，所定義的邊界條件如圖5、如圖6所示。

圖5 定義進(jìn)口邊界條件

圖6 定義出口邊界條件

備注：

1. 為了方便選擇，在進(jìn)行邊界條件定義之前，可以隱藏旁邊的管道，隱藏的管道并不會(huì)影響內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)，只是在視線上消失，實(shí)際是會(huì)被包含到計(jì)算中；

2. 在進(jìn)行邊界條件定義時(shí)，需要謹(jǐn)記，所定義的表面為流體-固體“接觸”的表面，而非外表面。

STEP 5

定義目標(biāo)，定義目標(biāo)可以幫助工程師實(shí)時(shí)監(jiān)控所關(guān)注的重點(diǎn)變量在收斂過(guò)程的變化，也可以幫助判斷該目標(biāo)是否達(dá)成了收斂以獲得更精準(zhǔn)可靠的信息。氣穴現(xiàn)象中，引起氣穴現(xiàn)象的必然會(huì)有壓力以及速度的劇烈變化，同時(shí)由于空化作用，會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)介質(zhì)的密度也會(huì)發(fā)生變化，因此，壓力、速度、密度等都屬于我們關(guān)注的重點(diǎn)的目標(biāo)以幫助我們判斷流體仿真中的收斂問(wèn)題。

圖7 定義收斂目標(biāo)

STEP 6

網(wǎng)格控制，針對(duì)全局網(wǎng)格控制，我們可以選用4級(jí)的網(wǎng)格，如圖8所示，同時(shí)，由于閥瓣附近的區(qū)域出現(xiàn)面積的突變，該處會(huì)有明顯的壓力梯度、速度梯度，如果出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象，也會(huì)在這附近，因此我們還需要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格控制，如圖9所示。

圖8 全局網(wǎng)格設(shè)置

圖9 閥瓣附近的局部網(wǎng)格控制

STEP 7

求解計(jì)算，如圖10所示，用戶可根據(jù)自己的實(shí)際計(jì)算資源合理分配計(jì)算，可以通過(guò)該窗口控制參與計(jì)算的計(jì)算機(jī)核數(shù)（含物理核與線程均可調(diào)用）。

圖10 求解計(jì)算

STEP 8

后處理，我們可以通過(guò)切面圖、表面圖、等值圖、流動(dòng)跡線等功能進(jìn)行可視化后處理，如圖11、圖12所示，幫助我們更快地了解該閥門的流動(dòng)狀況。

圖11 截面的流動(dòng)速度分布圖

圖12 截面的密度分布圖

如圖11、圖12可知，在閥瓣附近區(qū)域產(chǎn)生了非常大的速度梯度，由于通流面積的劇烈變化，該處會(huì)有明顯的速度梯度變化以及壓力梯度變化，由圖12的密度分布圖可見(jiàn)，在閥瓣附近的區(qū)域密度變小，藍(lán)色區(qū)域便為潛在的產(chǎn)生空化的區(qū)域。