Kavitation – Einführung
Die Kavitation ist das Phänomen, bei dem Dampfkavitäten, kleine und größtenteils flüssigkeitsfreie Zonen, die als Blasen oder Hohlräume bezeichnet werden, in einer Flüssigkeit aufgrund des Ungleichgewichts der lokalen dynamischen Kräfte generiert werden. Dies geschieht normalerweise, wenn eine Flüssigkeit schnellen Druckänderungen unter Isothermalbedingungen ausgesetzt wird. Ein Beispiel dafür: Wenn der Druck unter einen Schwellenwert (Sättigungsdampfdruck) fällt, bricht die Flüssigkeit und bildet dampfförmige Kavitäten; diese Kavitäten implodieren (die Blasen fallen in sich zusammen) und erzeugen intensive Druckwellen, wenn die Dampfblasen einem Druck ausgesetzt werden, der höher als der Schwellendruck ist.
Für einen Flüssigkeitsstrom wird seine Neigung zur Kavitationsbildung durch die Kavitationszahl angegeben, die unten genannt wird:
Gleichung 2.157
wobei Folgendes gilt: p ist der absolute Wert des Flussreferenzdrucks, wie der Einlassdruck; p
v ist der Sättigungsdampfdruck, eine Materialeigenschaft abhängig von Temperatur und Druck; der Nenner stellt den dynamischen Druck der Strömung dar, wobei ρ
l die Flüssigkeitsdichte und U
∞ die freie Strömungsgeschwindigkeit ist. Daher gibt die
Gleichung 2.157 an, dass ein Flüssigkeitsstrom bei sinkender Kavitationszahl eher zur Kavitation neigt.
Stationäre und instationäre Kavitationsflüsse können in vielen flüssigkeitstechnischen Systemen wie Einspritzdüsen, Flüssigkeitspumpen, Propellern, Laufrädern, Tragflügelbooten, hydrostatischen Lagern und Bio-Herzklappen auftreten. Eine Kavitation ist häufig eine unerwünschte Erscheinung. Sie kann erhebliche Leistungsminderungen verursachen, die sich in verringerten Massenflussraten, geringeren Druckhöhen bei Pumpen, Lastasymmetrie, Vibration und Rauschen manifestieren. Die Kavitation ruft auch physische Schäden eines Geräts aufgrund der Wirkungen der Blasen auf Flächen hervor, was letztlich die strukturelle Integrität beeinträchtigen kann. Um die Kavitation zu minimieren oder ihre Präsenz zu berücksichtigen, müssen Sie das Vorhandensein und das Ausmaß von Kavitation in den anfänglichen Konstruktionsphasen kennen. Daher ist es wichtig, in CFA eine genaue und verlässliche Funktion der Modellierung einer Kavitation bereitzustellen. Creo Flow Analysis bietet ein vollständiges Kavitationsmodul, zusammen mit benutzerdefinierten Werkzeugen (Schablonen), für die Simulation von Kavitationsströmungen an, die in einer Vielzahl von Flüssigkeitssystemen auftreten.
In diesem Thema werden die Modellierungstheorie und die Kavitationsmodelle beschrieben, die in
Creo Flow Analysis verwendet werden. Die Modellparameter und die Einstellungen, der Workflow und die Post-Processing-Mengen werden ebenfalls beschrieben. Da die Kavitation ein Prozess einer thermischen Phasenänderung zwischen der Flüssigkeits- und der Dampfphase ist, wird sie als Schnittstellen-Massenübergang unter Mehrphasenflüssen modelliert. In
Creo Flow Analysis wird die Kavitation jedoch unabhängig vom Modul
Multiphase modelliert. Um auf dieses Modul zuzugreifen, führen Sie die unten aufgeführten Schritte aus:
1. Klicken Sie auf
Physik-Modul (Physics Module). Das Dialogfenster
Auswahl eines physischen Modells (Physical Model Selection) wird geöffnet.
2. Wählen Sie das Modul unter Verfügbare Module (Available Modules) aus. Im Flow Analysis Baum wird unter Physik (Physics) die Option Cavitation hinzugefügt.
Eine Beschreibung von Elementen im Modul Cavitation finden Sie im Folgenden:
• Physik – Im Modul "Cavitation" verwendete Definitionen, Terminologie, Konstanten, Modelle und Methoden.
• Bedingungen – Angabe von Bedingungen für die Elemente wie Berandungen, Schnittstellen, Volumen und die Ausgaben des Moduls.
• Numerik und Konvergenz – Parameter und Modelle, die die numerische Lösung steuern.
• Ausgabevariablen – Erzeugen von Ausdrücken zur Angabe von Bedingungen und Postprocessing im Zusammenhang mit Kavitation.
