Ước tính liệu dòng chảy qua van hoặc vòi phun

Hiểu biết của tôi là xâm thực xảy ra trong dòng chảy của chất lỏng khi áp suất tĩnh giảm xuống dưới áp suất hơi, thậm chí không liên tục. Vì vậy, ngay cả khi thời gian trung bình áp suất tĩnh (những gì bạn có thể đo) cao hơn áp suất hơi, dao động áp suất do nhiễu loạn hoặc không ổn định khác có thể đủ lớn để gây ra hiện tượng xâm thực cục bộ. Vì vậy, so sánh áp suất tĩnh trung bình theo thời gian so với áp suất hơi là không đủ; bạn cần thêm một số đệm bổ sung để tính toán sự dao động áp lực. (Đây là cách giải thích của tôi, không đọc quá sâu vào vấn đề này.)

Vì vậy, trong các cuốn sách, trang web và bài báo khác nhau, tôi đã thấy hai loại số không thứ nguyên khác nhau để ước tính liệu dòng chảy qua van hay vòi phun. Chúng thường được gọi là chỉ số xâm thực hoặc số xâm thực. Họ có một trong hai hình thức:

$$ \ sigma = \ frac {p_ \ text {in} - p_ \ text {steam}} {p_ \ text {in} - p_ \ text {out}} $$

hoặc là

$$ \ sigma = \ fac

trong đó $ p_ \ text {in} $ là áp suất đầu vào, $ p_ \ text {out} $ là áp suất đầu ra, $ p_ \ text {steam} $ là áp suất hơi, $ \ rho $ là mật độ chất lỏng và $ V $ là một số vận tốc đặc trưng của dòng chảy (giả sử, trong trường hợp vòi phun, vận tốc ở đầu ra). Một số dạng của số này là nghịch đảo của các số trên, nhưng chúng không khác nhau.

Sự khác biệt giữa các tham số này là gì? Dựa trên bảo tồn năng lượng, bạn có thể liên hệ giảm áp suất với tốc độ dòng chảy, nhưng thông thường có một hệ số thực nghiệm được thêm vào để giải thích cho tính phi lý tưởng. Có cái gì khác tôi đang thiếu?

Là một hình thức ưa thích hơn hình thức khác? Tốt nhất tôi có thể biết nên sử dụng cái này hay cái kia tùy thuộc vào loại dữ liệu bạn có (vì vậy, đối với dòng chảy qua một lưỡi tuabin, hình thức vận tốc được ưa thích), nhưng tôi đã thấy cả hai cho cả vòi phun.

Tôi có thể lấy dữ liệu chính xác ở đâu để dự đoán xâm thực dựa trên những con số này? Tôi đã thử sử dụng một số dữ liệu về vòi phun từ các bài báo khác nhau nhưng nhìn chung họ sử dụng các dạng khác nhau của số xâm thực. Một số dữ liệu cho thấy dòng chảy qua vòi phun sẽ xâm thực ở áp suất tôi muốn, nhưng dữ liệu khác cho các vòi tương tự cho thấy nó sẽ không xảy ra. Tôi không chắc nguồn gốc của sự không nhất quán là gì. Sự hiểu biết của tôi có thể bị lỗi, mô hình số xâm thực có thể quá đơn giản, dữ liệu có thể không chính xác, v.v.

Sự khác biệt giữa hai phương trình

Số xâm thực là tỷ lệ chênh lệch áp suất tĩnh với chênh lệch áp suất động. Vì vậy, nếu bạn muốn sử dụng phương trình thứ nhất, bạn sẽ cần lấy áp suất bằng ống Pitot để đo tổng áp suất, trong khi nếu bạn muốn sử dụng phương trình thứ hai, bạn sẽ cần phải đo vận tốc tự do, nhưng tôi khuyên bạn nên đo lường nó ngược dòng chứ không phải hạ lưu vì những tác động có thể của gia tốc và tăng trưởng lớp biên. Ngoài ra, $ V $ của bạn phải là $ V_ {in} $ sao cho tương ứng với cùng một vị trí nơi $ p_ {in} $ được đo, bởi vì phương trình này được lấy từ phương trình Bernoulli cho biết năng lượng được bảo toàn dọc theo đường truyền.

Là một hình thức ưa thích hơn hình thức khác?

Trong tất cả kinh nghiệm của tôi làm việc trong nghiên cứu xâm thực trong nhiều năm, chúng tôi hầu như luôn sử dụng phương trình sau mà bạn đã đề cập (mặc dù tôi chủ yếu làm việc trong các tàu cánh ngầm và hệ thống đẩy). Lý do là chúng ta có thể có được các biện pháp vận tốc không xâm nhập chính xác hơn bằng cách sử dụng Máy đo tốc độ Doppler Laser (LDV) hơn bằng cách sử dụng một phương pháp xâm nhập.

Tôi có thể lấy dữ liệu chính xác ở đâu để dự đoán xâm thực dựa trên những con số này?

Rất khó sử dụng dữ liệu thực nghiệm để dự đoán số xâm thực vì sự khác biệt về những thứ như cường độ nhiễu loạn và hàm lượng hạt nhân không khí, rất khó để so khớp trong thực tế với các phương pháp phòng thí nghiệm có kiểm soát. Theo truyền thống, trong vòng kết nối của tôi, điều này được thực hiện bằng cách chạy một số mã phân tích CFD trên thiết kế của bạn. Có hai cách tiếp cận khác nhau ở đây: (1) tính toán lưu lượng trung bình trung bình bằng kỹ thuật Rans hoặc LES và (2) sử dụng mã động lực học bong bóng sẽ mô hình hóa hạt nhân không khí, nhưng yêu cầu trường lưu lượng (từ các biện pháp thí nghiệm hoặc từ từ mô hình CFD). Nếu bạn sử dụng mô hình Rans CFD điển hình để tính toán trường dòng chảy, nó sẽ cung cấp cho bạn hệ số áp suất có định nghĩa rất giống với số xâm thực:

$$ C_P = \ frac {P-P_ \ infty} {\ frac {1} {2} V ^ 2} $$

Nếu bạn đang thực hiện một số tính toán CFD trên vòi phun của mình, bạn nên tìm vị trí của áp suất tối thiểu và đó là nơi xảy ra xâm thực. Bạn có thể suy ra số xâm thực từ hệ số áp suất này là:

$$ \ sigma = -C_P ^ {phút} $$

trong đó $ C_P ^ {min} $ là áp suất tối thiểu trong vòi của bạn. Tôi giải thích điều này chi tiết hơn trong này giấy . Tuy nhiên, điều này sẽ chỉ cung cấp cho bạn một ý tưởng về số lần khởi động trung bình xâm thực. Hầu hết mọi người không đi đến chi tiết như vậy trong việc cố gắng để có được một dự đoán chính xác như vậy về sự khởi đầu xâm thực, trừ khi nó hoàn toàn quan trọng.

Nếu bạn muốn có được một con số chính xác hơn, bạn cần xem xét việc bắt đầu xâm thực đòi hỏi ba điều xảy ra cùng một lúc: (1) một vùng áp suất cục bộ nằm dưới áp suất hơi của nước, (2) một hạt nhân không khí đi vào vùng áp suất thấp đó và (3) hạt nhân không khí phải ở áp suất thấp trong một thời gian đủ lớn để cơ bản phát triển nhanh chóng, trở nên không ổn định và do đó sụp đổ. Cách mọi người có thể ước tính chính xác hơn điều này là bằng cách sử dụng phương pháp Lagrangian mô phỏng việc gửi hạt nhân không khí thông qua bộ dữ liệu CFD của Euler. Một số chuyên gia thực sự trong lĩnh vực này là những người tại Dynaflow-inc.com. Tôi có thể đề nghị xem qua bài viết này:

Chahine, G.L. "Hiệu ứng hạt nhân đối với sự khởi động và tiếng ồn của Cavites", ngày 25   Hội thảo chuyên đề về thủy động lực học hải quân, St. John's, NL, Canada, 8-13 tháng 8,   2004. PDF tại đây

Tuy nhiên, nếu bạn không muốn giải quyết tất cả những rắc rối đó, tôi khuyên bạn nên tính toán ước tính dao động áp suất $ p '$ dựa trên cường độ nhiễu loạn xung quanh của dòng chảy của bạn, và sau đó trừ đi giá trị này áp lực để có được một ước tính tốt hơn về số lượng xâm thực. Bạn sẽ có thể lấy giá trị này ra khỏi mô hình nhiễu loạn nếu bạn sử dụng kỹ thuật Rans. Nếu bạn đang xem xét các kỹ thuật CFD có thể sử dụng, trừ khi bạn có nhiều tiền để chi tiêu, tôi có thể đề nghị xem xét sử dụng OpenFOAM.