No Creo Flow Analysis, como no modelo de Singhal et al. original, sempre supõe-se que o fluido de trabalho nos fluxos de cavitação seja uma mistura de líquido, vapor e alguns gases não condensáveis. Por default, os modelos de cavitação levam em conta a mudança de fase líquido-vapor e o efeito de gases não condensáveis. Com base na abordagem de modelagem para efeito de gás não condensável, cinco modelos diferentes são fornecidas na tabela a seguir para a previsão do arejamento e cavitação em um sistema líquido. Esses modelos são descritos em detalhes nesta seção.

O modelo de fração de massa de gás constante é o modelo de cavitação básico ou default no Creo Flow Analysis. Ele é baseado no trabalho de Singhal e al.. Este modelo supõe que, no fluido de trabalho, o gás não condensável (NCG) sempre presente em líquido é um gás não dissolúvel ou bolhas de gás livres que seguem a lei dos gases ideais. Embora todo gás não condensável pré-descrito possa expandir livremente com a queda da pressão em zonas de cavitação, a fração de massa de gases não condensáveis é pré-descrita e permanece a mesma em um fluxo de cavitação:

equação 2.217

onde fg,especificado é um valor especificado pelo usuário.

A densidade do gás não condensável segue a lei dos gases ideais:

equação 2.218

em que T é a temperatura do fluido, que pode ser pré-descrita (fluxo isotérmico) ou obtida ao resolver a equação 2.168 de conservação de energia de mistura quando a transferência térmica é considerada. A partir da equação 2.173, a fração de volume do gás não condensável é:

equação 2.219

Embora a fração de massa do NCG seja fixa e geralmente tenha um valor pequeno, de 1.5e-05 ou 15 ppm em água natural, sua fração de volume αg varia e pode ter um valor maior. Em cavidades ou zonas de pressão baixa, o gás não condensável compete com o vapor para preencher o vazio no espaço dependendo das densidades do gás e do vapor.

Para a transferência de massa de líquido-vapor, a equação 2.194 e a equação 2.195 servem como base para construir o termo de origem e de rechupe da cavitação na equação 2.169 de fração de massa de vapor. Especificamente, o raio de bolha, RB precisa ser estimado usando as quantidades de fluxo conhecidas durante o crescimento e o colapso da bolha. O modelo de Singhal et al. argumenta que, se o tamanho típico de bolha RB é o mesmo que o tamanho limite (máximo possível) de bolha, RB pode ser determinado pelo equilíbrio entre as forças de arrasto aerodinâmico e de tensão de superfície. Uma correlação usada na indústria nuclear é:

equação 2.220

onde Vrel é a magnitude da velocidade relativa de líquido e vapor. No regime de fluxo de bolhas em que a cavitação ocorre, Vrel geralmente é pequeno, aproximadamente 5 a 10% da velocidade do líquido. Usando vários argumentos de limitação como RB →0 como αv →0 e o fato de que as taxas de mudança de fase por volume de unidade devem ser proporcionais para as frações de volume (ou frações de massa) da fase do doador, as expressões a seguir para as taxas geração / condensação de vapor são obtidas para completar o modelo de cavitação como:

equação 2.221

equação 2.222

equação 2.223

onde Ce e Cc são coeficientes de evaporação e condensação, que podem ser valores constantes especificados pelo usuário que são definidos por default para 1.0 ou funções de quantidades de fluxo conhecidas. Na equação 2.222 e na equação 2.223, uma nova pressão de limite ρv é introduzida para substituir a pressão de vapor de saturação ρsat na equação 2.194 e na equação 2.195. De acordo com Singhal et al., para levar em conta o efeito de turbulência em fluxos de cavitação, observado em investigações experimentais, um valor local das flutuações de pressão turbulentas fornecido por Hinze:

equação 2.224

é adicionada à pressão de vapor de saturação para aumentar o valor da pressão de valor mínimo da mudança de fase para:

equação 2.225

Para fluxos laminares, pv=psat(T)

Quando a transferência térmica é considerada e todas as densidades de fase, incluindo líquido, vapor e gases não condensáveis, estão sujeitas a mudanças de temperatura, a pressão de vapor de saturação psat também é uma função da temperatura. Consequentemente, o efeito térmico direto na cavitação pode ser considerado neste modelo de cavitação.

O modelo de fração de massa de gás variável supõe que o gás não condensável sempre permanece como um gás livre que não pode ser dissolvido em líquido, mas a fração de massa não é mais uma constante pré-descrita como no modelo de fração de massa de gás constante. Em vez disso, a distribuição da fração de massa local é controlada por uma equação de transporte. Enquanto a transferência de massa de líquido-vapor é modelada pelo mesmo modelo de cavitação referenciado na equação 2.221, equação 2.222 e equação 2.223. Para que fique claro, o conjunto completo de equações de modelagem é fornecido a seguir:

Em fluxos de cavitação, os gases não condensáveis no fluido podem ser dissolvidos em ou liberados de um liquido para obter um equilíbrio dinâmico das concentrações de massa entre as fases líquida e gasosa. O modelo de gás dissolvido de equilíbrio supõe que a fração massa do gás não condensável total permanece constante. No entanto, uma parte do gás é dissolvida em líquido para satisfazer imediatamente a condição de equilíbrio local. Matematicamente, além da mesma equação de fração de massa de vapor e modelos de transferência de massa de vapor, ele resolve uma equação de transporte adicional para a fração de massa do gás dissolvido fgd, que supõe-se sempre estar em estado de equilíbrio. As equações de modelagem são da seguinte forma:

Este modelo libera a condição de que o gás dissolvido em líquido esteja sempre no estado de equilíbrio. Em vez de ser determinado pela condição de equilíbrio com transferência de massa instantânea, a fração de massa do gás dissolvido (fg,d) depende do transporte do componente e da taxa de dissolução ou de liberação (taxa finita). Portanto, o modelo de gás dissolvido compartilha as mesmas formulações de modelagem que o modelo de gás dissolvido de equilíbrio, equação 2.230-equação 2.234. No entanto, as taxas finitas de transferência de massa para a dissolução e liberação de gás são caracterizadas pelas deferentes escalas de tempo (Γ). Para a absorção ou dissolução do gás em líquido, Γ é fornecido por um tempo de absorção especificado (o tempo de dissolução do gás dissolvido por default é 10 s). Para a liberação de gás dissolvido do líquido, a taxa de transferência de massa é determinada por um tempo especificado de liberação de gás (o tempo de liberação de gás dissolvido por default Γ é 10 s).

O modelo de gás completo é uma combinação do modelo de gás dissolvido e do modelo de gás variável. A fração de massa do gás não condensável está sujeita a mudanças com relação a tempo e espaço, enquanto a dissolução ou absorção e liberação de gás também podem ocorrer para os gases não condensáveis. O conjunto completo de equações de modelagem é fornecido a seguir: