پدیده کاویتاسیون

زمانی که فشار استاتیک موضعی مایع به زیر فشار بخار کاهش یابد، حباب‌های بخار در داخل مایع تشکیل می‌شوند که این پدیده، کاویتاسیون نامیده می‌شود. حباب‌های تشکیل شده در اغلب موارد پایدار نیستند و در صورت افزایش فشار، منفجر می‌شوند. این پدیده می‌تواند منجر به تولید نویز، ارتعاشات، ساییدگی و افت عملکرد شود. علاوه بر این، می‌تواند مشکلاتی را برای پمپ‌ها، انژکتورهای سوخت، کمپرسورها، توبوشارژها، پروانه‌ها، شیرها و سرریزها ایجاد نماید. با این وجود، پدیده کاویتاسیون در برخی موارد نظیر ابزارهای اولتراسونیک (امواج شوک برای سنگ شکنی پزشکی) و جت‌های کاویتاسیون برای تمیز کردن سطوح استفاده می‌شود.

از نرم‌افزار ANSYS Fluent می‌توان برای شبیه‌سازی پدیده کاویتاسیون استفاده کرد. به همین منظور در نرم‌افزار سه مدل کاویتاسیون ارائه شده است. مدل‌ها عبارتند از: Singhal-Et-Al، Schnerr-Sauer و Zwart-Gerber-Belamri. نرم‌افزار بصورت پیش‌فرض از مدل کاویتاسیون Schnerr-Sauer استفاده می‌کند.

موارد زیر در مدل‌های کاویتاسیون دوفازی استاندارد در نظر گرفته می‌شوند:

• سیستم تحت شبیه‌سازی باید شامل یک فاز مایع و یک فاز بخار باشد.
• انتقال جرم بین فازهای مایع و بخار اتفاق می‌افتد. در مدل‌های کاویتاسیون هم تشکیل حباب و هم ترکیدن در نظر گرفته می‌شوند.
• نرم‌افزار، انتقال جرم مثبت از مایع به بخار را تعریف می‌کند.
• مدل‌های کاویتاسیون براساس معادله رایلی-پلست (Rayleigh-Plesset) هستند که رشد یک حباب بخار در یک مایع را توصیف می‌کند.
• خواص مواد ورودی که در مدل‌های کاویتاسیون استفاده می‌شوند می‌توانند ثابت، تابع دما و یا توسط کاربر تعریف شوند.

با استفاده از مدل‌های کاویتاسیون می‌توان موارد زیر را انجام داد:

• از مدل Singhal et al. می‌توان برای در نظرگرفتن تاثیر گازهای غیرقابل میعان در جریان استفاده کرد. اما دو مدل دیگر این تاثیر را نمی‌توانند در نظر بگیرند.
• مدل‌های Schnerr-Sauer و Zwart-Gerber-Belamri با تمام مدل‌های توربولانس موجود در نرم‌افزار سازگار هستند.
• حلگرهای مجزا (Segregated) و کوپله (Coupled) Pressure-Based می‌توانند همراه با مدل‌های کاویتاسیون استفاده شوند.
• مدل‌های کاویتاسیون به صورت کامل با مش‌ متحرک (Dynamic Mesh) و شبکه‌های غیرتطبیقی (Non-Conformal Interfaces) سازگار هستند.
• هر دوفاز مایع و بخار می‌توانند تراکم‌پذیر یا تراکم‌ناپذیر باشند. برای مایع‌های تراکم‌پذیر، چگالی توسط یک UDF تعریف می‌شود.

محدودیت‌های مدل‌های کاویتاسیون

• مدل Singhal et al. فقط برای یک فرآیند کاویتاسیون می‌تواند در نظر گرفته شود بدین معنی که فقط یک تک‌مایع می‌تواند در معرض کاویتاسیون قرار بگیرد.
• برای استفاده از مدل Singhal et al. باید فاز اولیه مایع و فاز ثانویه بخار باشد.
• مدل singhal et al. را نمی‌توان هم‌زمان با مدل چندفازی Eulerian استفاده کرد.
• مدل Singhal et al. با مدل توربولانس LES سازگار نیست.
• همان‌طور که قبلا هم ذکر شد مدل‌های Schnerr and Sauer و Zwart-Gerber-Belamri تاثیر گازهای غیرقابل تراکم را به صورت پیش‌فرض در نظر نمی‌گیرند.
• بهتر است که از مدل VOF با فرمولاسیون صریح استفاده نشود.
• در صورت استفاده از فرمولاسیون ضمنی مدل چندفازی VOF، اگر نیاز باشد که مدل‌سازی سطح بین فازها به صورت Sharp انجام شود می‌توان turbulent effects را غیرفعال کرد.

نکته‌ی که قابل توجه این است که مدل Singhal et al. بصورت پیش‌فرض فعال نیست. در صورتی که کاربر بخواهد از این مدل کاویتاسیون استفاده کند باید ابتدا مدل چندفازی Mixture را فعال کند سپس از دستور متنی solve/set/expert استفاده کند و جواب yes را برای عبارت use Singhal-et-al cavitation model? وارد نماید.

نکته قابل توجه دیگر این است که پایداری حل عددی در مسائلی که کاویتاسیون در نظر گرفته می‌شود بسیار حساس است. به عنوان مثال، اختلاف فشار زیاد بین ورودی و خروجی، نسبت بزرگ چگالی فاز مایع به بخار و نرخ بالای تبدیل فازها، تاثیرات نامطلوبی بر روی همگرایی مساله دارند. هم‌چنین تنظیم شرایط اولیه نامناسب در اغلب موارد باعث بدست آمدن میدان فشار غیرواقعی می‌شود که به نوبه خود باعث به وجود آمدن نواحی می‌شود که کاویتاسیون ناخواسته و غیرواقعی رخ می‌‎دهد.