氣穴現象在SOLIDWORKS Flow Simulation中的實現

氣穴現象的產生主要是由於管道內的液體突然由於結構的幾何通流面積改變，而引起瞭流動液體某處的壓力低於空氣分離壓，原先溶解在液體中的空氣就會遊離出來，使到液體中產生大量的氣泡，這種現象稱之為氣穴現象。

氣穴現象會使得結構產生噪聲和振動，也會使到裝置的表面收到腐蝕，甚至會導致在工作中的閥門產生嚴重的泄露、破壞等多種危害。由於氣穴現象帶來的諸多不理影響，因此，合理的流道在設計中顯得非常關鍵，研發工程師可以在SOLIDWORKS完成結構設計工作，並且通過SOLIDWORKS Flow Simulation完成氣穴現象的評估，最終可以根據是否出現氣穴現象以判斷是否需要進行結構流道再設計工作。下面將以一個案例step by step完成氣穴現象的模擬。

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如下圖1所示為閥門，通過旋緊機構控制瞭該閥瓣的一定的開度，兩側分別為流入、流出的管道，管道以0.1m^3/s的體積流量流入，流動介質為水，流出出口直連大氣，我們需要在Flow Simulation中模擬該條件下，在這種閥門的開度情況下，是否會出現氣穴現象。

圖1 閥門結構圖

STEP 1：打開SOLIDWORKS，並在插件中激活“Flow Simulation”，如圖2所示。

圖2 Flow Simulation插件

STEP 2：由於水在閥門中的流動屬於內部流動，因此需要創建封蓋，將進口、出口用封蓋功能密封，以在後面的分析中，創建邊界條件，如圖3所示。

圖3 創建封蓋

STEP 3：創建“內部流動+氣穴現象”的向導工作流，分別如下：

最終建立如圖4的Flow Simulation的流體仿真工作流，並且需要考慮流動介質“水”是否會產生空化效應。

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圖4 內部流動工作流

STEP 4

定義邊界條件，由上可知，進口處的邊界條件為體積流量，0.1m^3/s，由於出口直通大氣，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壓力，因此，出口的壓力應該為101325Pa，所定義的邊界條件如圖5、如圖6所示。

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圖5 定義進口邊界條件

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圖6 定義出口邊界條件

備註：

1. 為瞭方便選擇，在進行邊界條件定義之前，可以隱藏旁邊的管道，隱藏的管道並不會影響內部流道的結構，隻是在視線上消失，實際是會被包含到計算中；
2. 在進行邊界條件定義時，需要謹記，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，定義目標可以幫助工程師實時監控所關註的重點變量在收斂過程的變化，也可以幫助判斷該目標是否達成瞭收斂以獲得更精準可靠的信息。氣穴現象中，引起氣穴現象的必然會有壓力以及速度的劇烈變化，同時由於空化作用，會導致流動介質的密度也會發生變化，因此，壓力、速度、密度等都屬於我們關註的重點的目標以幫助我們判斷流體仿真中的收斂問題。

圖7 定義收斂目標

STEP 6

網格控制，針對全局網格控制，我們可以選用4級的網格，如圖8所示，同時，由於閥瓣附近的區域出現面積的突變，該處會有明顯的壓力梯度、速度梯度，如果出現氣穴現象，也會在這附近，因此我們還需要對該區域進行局部網格控制，如圖9所示。

圖8 全局網格設置

圖9 閥瓣附近的局部網格控制

STEP 7

求解計算，如圖10所示，用戶可根據自己的實際計算資源合理分配計算，可以通過該窗口控制參與計算的計算機核數（含物理核與線程均可調用）。

圖10 求解計算

STEP 8

後處理，我們可以通過切面圖、表面圖、等值圖、流動跡線等功能進行可視化後處理，如圖11、圖12所示，幫助我們更快地瞭解該閥門的流動狀況。

圖11 截面的流動速度分佈圖

圖12 截面的密度分佈圖

如圖11、圖12可知，在閥瓣附近區域產生瞭非常大的速度梯度，由於通流面積的劇烈變化，該處會有明顯的速度梯度變化以及壓力梯度變化，由圖12的密度分佈圖可見，在閥瓣附近的區域密度變小，藍色區域便為潛在的產生空化的區域。