Memperkirakan apakah aliran melalui katup atau nozzle cavitates

Pemahaman saya adalah bahwa kavitasi terjadi dalam aliran cairan ketika tekanan statis turun di bawah tekanan uap, bahkan sebentar-sebentar. Jadi, bahkan jika tekanan statis rata-rata waktu (yang mungkin Anda ukur) berada di atas tekanan uap, fluktuasi tekanan dari turbulensi atau ketidakstabilan lainnya bisa cukup besar untuk menyebabkan kavitasi secara lokal. Jadi membandingkan tekanan statis rata-rata dengan waktu terhadap tekanan uap tidaklah cukup; Anda perlu menambahkan beberapa bantal tambahan untuk memperhitungkan fluktuasi tekanan. (Ini adalah interpretasi saya, belum membaca terlalu dalam tentang hal ini.)

Jadi, di berbagai buku, situs web, dan artikel jurnal, saya telah melihat dua jenis angka tanpa dimensi untuk memperkirakan apakah aliran melalui katup atau nozzle cavitates. Mereka umumnya disebut indeks kavitasi atau nomor kavitasi. Mereka mengambil satu dari dua bentuk:

σ = \frac{p_{in} - p_{vapor}}{p_{in} - p_{out}}

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

atau

σ = \frac{p_{in} - p_{vapor}}{\frac{1}{2} ρ V^{2}}

$\sigma = \frac{p_\text{in} - p_\text{vapor}}{\tfrac{1}{2} \rho V^2}$

di mana adalah tekanan inlet, adalah tekanan outlet, adalah tekanan uap, adalah densitas cairan, dan adalah beberapa karakteristik kecepatan aliran. (katakanlah, dalam wadah nozzle, kecepatan di outlet). Beberapa bentuk angka ini adalah inversi dari angka-angka di atas, tetapi ini tidak jauh berbeda. $p_\text{in}$ $p_\text{out}$ $p_\text{vapor}$ $\rho$ $V$

Apa perbedaan antara parameter-parameter ini? Berdasarkan konservasi energi, Anda dapat menghubungkan penurunan tekanan dengan laju aliran, tetapi biasanya ada koefisien empiris yang ditambahkan untuk memperhitungkan ketidak-idealan. Apakah ada hal lain yang saya lewatkan?

Apakah satu bentuk lebih disukai daripada yang lain? Terbaik yang bisa saya katakan apakah menggunakan satu atau yang lain tergantung pada jenis data apa yang Anda miliki (jadi, untuk aliran di atas bilah turbin, bentuk kecepatan lebih disukai), tetapi saya telah melihat keduanya bahkan untuk nozel.

Di mana saya bisa mendapatkan data yang akurat untuk memprediksi kavitasi berdasarkan angka-angka ini? Saya sudah mencoba menggunakan beberapa data pada nozel alat penyemprot dari berbagai artikel jurnal tetapi umumnya mereka menggunakan berbagai bentuk nomor kavitasi. Beberapa data menyarankan aliran melalui nozzle akan kavitasi pada tekanan yang saya inginkan, tetapi data lain untuk nozel yang sama menunjukkan itu tidak akan terjadi. Saya tidak yakin apa sumber ketidakkonsistenan itu. Pemahaman saya bisa salah, model nomor kavitasi bisa terlalu sederhana, datanya mungkin tidak akurat, dll.

mechanical-engineering fluid-dynamics multiphase-flow

— Ben Trettel
sumber

Perbedaan antara kedua persamaan

Angka kavitasi adalah rasio perbedaan tekanan statis dengan perbedaan tekanan dinamis. Jadi, jika Anda ingin menggunakan persamaan pertama, Anda perlu mengambil tekanan menggunakan tabung Pitot untuk mengukur tekanan total, sedangkan jika Anda ingin menggunakan persamaan kedua Anda perlu mengukur kecepatan freestream, tapi saya akan merekomendasikan mengukurnya hulu daripada hilir karena kemungkinan efek percepatan dan pertumbuhan lapisan batas. Juga, Anda harus sedemikian sehingga sesuai dengan lokasi yang sama di mana diukur, karena persamaan ini berasal dari persamaan Bernoulli yang mengatakan bahwa energi dikonservasi sepanjang garis stream. $V$ $V_{in}$ $p_{in}$

Apakah satu bentuk lebih disukai daripada yang lain?

Dalam semua pengalaman saya bekerja dalam penelitian kavitasi selama bertahun-tahun, kami hampir selalu menggunakan persamaan terakhir yang Anda sebutkan (walaupun saya terutama bekerja di sistem hidrofil dan propulsi). Alasannya adalah bahwa kita bisa mendapatkan pengukuran kecepatan non-intrusif yang lebih akurat menggunakan Laser Doppler velocimetry (LDV) daripada dengan menggunakan metode intrusi.

Di mana saya bisa mendapatkan data yang akurat untuk memprediksi kavitasi berdasarkan angka-angka ini?

Sulit untuk menggunakan data eksperimental untuk memprediksi jumlah kavitasi karena perbedaan dalam hal-hal seperti intensitas turbulensi dan kandungan inti udara, yang sulit untuk dicocokkan pada kenyataannya dengan metode laboratorium terkontrol. Secara tradisional, di lingkaran saya, ini dilakukan dengan menjalankan beberapa kode analisis CFD pada desain Anda. Ada dua pendekatan berbeda di sini: (1) menghitung rata-rata aliran menggunakan teknik RANS atau LES, dan (2) menggunakan kode dinamika gelembung yang akan memodelkan inti udara, tetapi membutuhkan medan aliran (baik dari langkah-langkah eksperimental atau dari dari model CFD). Jika Anda menggunakan model CFD RANS khas untuk menghitung bidang-aliran, itu akan memberi Anda koefisien tekanan yang memiliki definisi yang sangat mirip dengan nomor kavitasi:

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

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

Jika Anda melakukan perhitungan CFD pada nozzle Anda, Anda harus menemukan lokasi tekanan minimum, dan itu adalah tempat di mana kavitasi harus terjadi. Anda dapat menyimpulkan nomor kavitasi dari koefisien tekanan ini sebagai:

σ = - C_{P}^{m i n}

$\sigma = -C_P^{min}$

di mana adalah tekanan minimum di nozzle Anda. Saya menjelaskan ini secara lebih rinci dalam makalah ini . Namun, ini hanya akan memberi Anda gambaran tentang angka awal kavitasi rata-rata. Kebanyakan orang tidak pergi ke detail seperti itu dalam mencoba untuk mendapatkan prediksi yang akurat tentang kelahiran kavitasi, kecuali itu benar-benar kritis. $C_P^{min}$

Jika Anda ingin mendapatkan angka yang lebih akurat, Anda perlu mempertimbangkan bahwa permulaan kavitasi memerlukan tiga hal yang terjadi secara bersamaan: (1) area tekanan lokal yang berada di bawah tekanan uap air, (2) inti udara yang masuk ke daerah bertekanan rendah itu, dan (3) inti udara harus dalam tekanan rendah untuk waktu yang cukup signifikan sehingga pada dasarnya tumbuh dengan cepat, menjadi tidak stabil dan karenanya runtuh. Cara orang dapat memperkirakan ini dengan lebih akurat adalah dengan menggunakan metode Lagrangian yang mensimulasikan pengiriman inti udara melalui dataset CFD Euler. Beberapa ahli nyata dalam bidang ini adalah orang-orang di Dynaflow-inc.com. Saya mungkin menyarankan untuk melihat makalah ini:

Chahine, GL "Efek Nuklir pada Inception dan Noise Cavitation", Simposium ke 25 tentang Naval Hydrodynamics, St. John's, NL, Kanada, 8-13 Agustus 2004. PDF di sini

Namun, jika Anda tidak ingin pergi ke semua masalah itu, saya akan merekomendasikan Anda menghitung perkiraan fluktuasi tekanan berdasarkan intensitas turbulensi ambien aliran Anda, dan kemudian kurangi nilai ini dari tekanan rata-rata Anda ke dapatkan perkiraan jumlah kavitasi yang lebih baik. Anda harus bisa mendapatkan nilai ini dari model turbulensi jika Anda menggunakan teknik RANS. Jika Anda melihat kemungkinan teknik CFD untuk digunakan, kecuali jika Anda memiliki banyak uang untuk dibelanjakan, saya mungkin menyarankan untuk menggunakan OpenFOAM. $p'$

— Wes
sumber

Ini jawaban yang bagus! Anda membahas sejumlah hal yang tidak saya sadari dan tentunya menyelamatkan saya banyak waktu. Terima kasih. Saya dapat memposting beberapa pertanyaan lanjutan di masa depan di sini tentang hal ini.

— Ben Trettel

Tentu saja, tak masalah. Jangan ragu untuk bertanya lebih banyak. Saya menghabiskan beberapa tahun mengkhususkan diri dalam pemodelan kavitasi dan khususnya mencoba memprediksi kelahiran kavitasi, tapi saya tidak benar-benar bekerja di daerah itu lagi. Jadi, saya senang jika orang lain bisa menggunakan pengetahuan itu. Salah satu buku klasik tentang masalah ini ada di sini: amazon.com/Cavitation-Bubble-Dynamics-Engineering-Science/dp/…

— Wes