شبیه سازی کاویتاسیون طبیعی Super Cavitation اطراف هیدروفویل با نرم افزار ANSYS CFX و روش CFD
کاویتاسیون یکی از پدیدههای منحصر به فرد در زمینه هیدرودینامیک است، که در هر نوع ماشین هیدرولیکی مانند پمپها، توربینها، دریچهها و غیره میتواند اتفاق بیافتد. امروزه با پیشرفت تکنولوژی توجه به مسائلی که باعث کاهش بازده و عمر مفید تجهیزات میشوند بیشتر شده و انجام فعالیتهای تحقیقاتی در این زمینه در حال گسترش است. یکی از عوامل موثر در کاهش بازده و عمر تجهیزات هیدرولیکی پدیده کاویتاسیون است، لذا تجهیزات بایستی به نحوی طراحی شوند که از وقوع کاویتاسیون جلوگیری شده و یا در حد قابل کنترل موجود باشد. با این وجود همواره نمیتوان کاویتاسیون را یک پدیده نامطلوب دانست. به عنوان مثال در زیر به چند مورد از کاربردهای کاویتاسیون در علوم و صنایع مختلف اشاره شده است:
- کاربرد کاویتاسیون در پزشکی و مهندسی پزشکی
- جراحی چشم با لیزر و جراحی کاهش فشار روی دیسک کمر
- رساندن دارو به سلولهای سرطانی
- شکاندن سنگ کلیه و غیره
- کاربرد کاویتاسیون در مسائل زیست محیطی
- پراکنده کردن مواد نفتی روی سطح دریاها
ارائه تعریفی مختصر و کوتاه از کاویتاسیون کاری مشکل است. تشکیل فاز بخار در داخل یک محیط مایع همگن میتواند در شرایط مختلفی اتفاق بیافتد و بر اساس ساختار جریان و خواص فیزیکی مایع شکلهای متفاوتی دارد. اگر این فرایند در فشار ثابت و در نتیجه افزایش دما باشد، جوشش نامیده میشود ولی اگر این پدیده از کاهش فشار استاتیکی حاصل شده باشد، کاویاسیون گفته میشود. کاویتاسیون در واقع تشکیل و رشد حبابهای بخار در داخل مایع در محیطهای کم فشار و سپس فروپاشی و تقطیر سریع آنها در محیطهای پر فشار میباشد.
در برخی حالتها، انتقال گرمای مورد نیاز برای تبخیر موجب میشود تغییر فاز در دمای کمتر از دمای محیط مایع اتفاق بیافتد. اختلاف دمای تاخیر دمایی در کاویتاسیون نامیده میشود. حتی در شرایط استاتیکی، تغییر فاز شاید در فشار پایینتر از فشار بخار مایع انجام گیرد. اختلاف میان فشار بخار و فشار واقعی در آغاز کاویتاسیون تاخیر استاتیک نامیده میشود.
ذکر چند نکته در مورد پدیده کاویتاسیون قابل توجه است :
- کاویتاسیون پدیدهای است که فقط در مایعات رخ میدهد.
- کاویتاسیون نتیجه کاهش فشار در مایعات است و میتوان با کنترل کاهش فشار تا حدی این پدیده را کنترل نمود.
- کاویتاسیون یک پدیده دینامیکی است که به رشد و فروپاشی حبابها ارتباط داده میشود.
- شروع کاویتاسیون در مایع ناخالص در فشارهای نزدیک فشار بخار نیاز به وجود هستههایی دارد که مقادیر بسیار کمی از بخار ، گازهای نامحلول در آب و یا هر دو در آن موجود باشد.
- کاویتاسیون تنها زمانی رخ میدهد که هستهها با قرار گرفتن در معرض کاهش فشار ناپایدار شده و رشد کنند.
- کاویتاسیون با چشم غیر مسلح و دوربینهای معمولی قابل رویت نیست، چرا که این پدیده دارای سرعت بسیار بالایی میباشد ، بطوریکه زمان بوجود آمدن و از بین رفتن حبابهای کوچک غیر دائم با واحد میلیثانیه اندازهگیری میشود.
- وجود ناخالصیها به شکل جامد یا گاز به ایجاد کاویتاسیون کمک میکنند.
- پیدایش هیدرودینامیکی کاویتاسیون علاوه بر بستگی داشتن به عوامل مذکور به وضعیت ظاهری مرز جامد نیز بستگی دارد.
دینامیک حبابهای کاویتاسیون دارای دو مرحله دارد: مرحله اول همان ظاهر شدن حبابهای گاز و بخار است (مرحله رشد) و مرحله دوم ناپدید شدن آن حبابهاست (مرحله فروپاشی) در مرحله دوم بطور لحظه ای فشار و دما بطور قابل ملاحظهای افزایش یافته و موجب تنشی میشود که از حد مقاومت اکثر مواد صنعتی بیشتر است، لذا مرحله فروپاشی اساساً تخریبی است.
برای اهداف کاربردی در نظر گرفتن دو رژیم مجزا در توسعه کاویتاسیون مفید میباشد، ناحیه اول مربوط به آغاز کاویتاسیون میباشد که محدوده مابین محل بدون کاویتاسیون و جریان کاویتاسیونی را شامل میشود. ناحیه دوم، کاویتاسیون توسعه یافته است که به پایداری معینی رسیده است.
در داخل جریان مایعات موقعیتهای مناسبی برای ایجاد کاویتاسیون وجود دارد که میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
- شکل و هندسه دیواره میتواند میتواند موجب افزایش سریع سرعت محلی شده که طبق معادله برنولی فشار کاهش مییابد. این حالت در سطح مقطعهای محدود شده موجود در مسیر جریان همانند نازلهای ونتوری، شیرهای فشارشکن، دریچه ها و …. اتفاق میافتد.
- کاویتاسیون در جریانهای برشی متلاطم بعلت گرادیان شدید فشار میتواند رخ دهد.
- اساس غیر دائمی بودن برخی از جریانها میتواند منجر به شتاب شدید سیال و در نتیجه ایجاد فشارهای پایین بطور لحظهای در برخی نقاط جریان و ظهور کاویتاسیون گردد.
- زبری موضعی دیواره باعث تشکیل گردابههای محلی میشود، که شاید موجب رشد هستههای حباب موجود در این نواحی گردد.
- در نتیجه حرکت ارتعاشی دیوارهها، ناحیه فشار نوسانی ایجاد میشود. اگر اندازه نوسانات به اندازه کافی بزرگ باشد، احتمال وقوع کاویتاسیون وجود دارد.
- سرانجام، حرکت توام با شتاب اجسام جامد در مایع ساکن بخصوص اگر دارای لبههای تیز باشند، شتاب مایع اطراف این لبهها تولید فشارهای پایین مینماید و کاویتاسیون ایجاد میشود.
علاوه بر موارد فوق حبابهای کاویتاسیون را میتوان با تمرکز انرژی لیزر یا امواج مافوق صوت در داخل یک مایع ایجاد نمود که حبابهای حاصل در هر حالت دارای خواص منحصر به فردی خواهند بود.
در این شبیه سازی دو نوع ماده آب و بخار آب در این شبیه سازی در نظر گرفته شده است. فشار مرجع که خواص مواد نیز در این فشار منظور شده است، برابر 1 اتمسفر است. مقدار فشار بخار 3081 پاسکال می باشد.
روش حل به صورت پایدار بوده و معیار همگرایی 10-4 در نظر گرفته است. مسئله به صورت دو فازی بوده و روش حل درصد المان حجمی (EVF) برای تفکیک دو فاز مورد استفاده قرار گرفته است. از روش حل تفکیکی استفاده شده است چون بر اساس بررسیهای صورت گرفته در این شبیه سازی نسبت به روش پیوسته سریعتر همگرا میشود. از مدل آشفتگی k-ε استفاده شده است. در نرم افزار CFX برای مسائل شامل کاویتاسیون از دو مدل آشفتگی k-ε و SST می توان استفاده کرد.
به دیواره ورودی جریان شرط مرزی سرعت و به دیواره خروجی جریان شرط مرزی فشار استاتیک معادل صفر اعمال شده است. دیواره اطراف سیال دارای شرط مرزی لغزش آزاد میباشد. به دیوارههای تقارن مدل نیز شرط مرزی تقارن اعمال شده است. به سطوح مدل هیدروفویل نیز شرط مرزی دیواره اعمال گشته است.
کلیه مراحل ایجاد مدل هندسی دامنه محاسباتی سیال، شبکه بندی، تعریف شرایط مرزی، تنظیمات بخش های مختلف نرم افزار CFX و تحلیل و بررسی نتایج در این فیلم آموزشی به صورت متوالی ارائه شده است.
This example demonstrates cavitation in the flow of water around a hydrofoil. A two-dimensional solution is obtained by modeling a thin slice of the hydrofoil and using two symmetry boundary conditions.
نمونه کوتاهی از فیلم آموزشی
Brief record of this Training Film
محسن احمدزاده –
✔