キャビテーション - 概要
キャビテーションとは、局所的な動的外力の不均衡によって液体内で蒸気キャビティ (液体がほとんど存在しない小さな領域、気泡またはボイドとも呼ぶ) が発生する現象のことです。これは通常、等温状態で圧力の急変に液体がさらされた場合に発生します。たとえば、圧力がしきい値 (飽和蒸気圧) を下回ると、液体が破裂して蒸気キャビティを形成するのに対し、しきい値を超える圧力に蒸気気泡がさらされると、ボイドが内破 (気泡が崩壊) して強い衝撃波が生じます。
液体流れの場合、キャビテーションの発生しやすさはキャビテーション数によって表され、これは以下によって与えられます。
式 2.157
ここで、p は流れ基準圧力 (入口圧力など) の絶対値、pv は飽和蒸気圧 (温度と圧力に依存する材料特性) です。分母は流れの動水頭を表し、そのρl は液体密度、U は自由流速度です。したがって、式 2.157は、キャビテーション数が小さくなるに従い、液体流れでキャビテーションが発生しやすくなることを示しています。
燃料噴射器、液体ポンプ、プロペラ、インペラ、水中翼、静水圧ベアリング、医療用心臓弁などのさまざまな流体エンジニアリングシステムで、キャビテーション発生を伴う定常および非定常の流れが発生します。多くの場合、キャビテーションの発生は望ましくありません。性能が大きく低下して、質量流量が減ったり、ポンプでの圧力上昇が小さくなったり、負荷が非対称になったり、振動やノイズが発生したりすることがあります。また、キャビテーションによって、表面に気泡が衝突して装置が物理的に損傷し、最終的には構造の健全性が損なわれます。キャビテーションを最小限にする、あるいはその存在を考慮に入れるには、設計の初期段階においてキャビテーションの存在および範囲について把握しておく必要があります。したがって、正確かつ信頼性の高いキャビテーションモデリング機能を提供することが CFA において重要となっています。Creo Flow Analysis は、広範囲に及ぶ流体系で発生する、キャビテーション発生を伴う流れのシミュレーション用に、完全なキャビテーションモジュールとカスタマイズされたツール (テンプレート) を提供します。
このトピックでは、Creo Flow Analysis で使用されているモデリング理論とキャビテーションモデルについて説明します。モデルのパラメータと設定、ワークフロー、ポストプロセスされる量についても説明します。キャビテーションは液相と蒸気相間の熱相変化のプロセスなので、多相流れにおける界面質量移動としてモデリングされますが、Creo Flow Analysis では、キャビテーションは多相モジュールとは関係なくモデリングされます。このモジュールにアクセスするには、次の手順に従います。
1. 「物理モジュール」(Physics Module) をクリックします。「物理モデル選択」(Physical Model Selection) ダイアログボックスが開きます。
2. 「使用可能なモジュール」(Available Modules) からモジュールを選択します。Flow Analysis ツリーで、「物理」(Physics) の下に「キャビテーション」(Cavitation) が追加されます。
「キャビテーション」(Cavitation) モジュール内のアイテムの詳細については、以下を参照してください。
定義 - キャビテーションモジュールで使用されている用語。
物理 - キャビテーションモジュールで使用されている定義、用語、定数、モデル、および方法。
条件 - エンティティ (境界、インタフェース、ボリューム、およびモジュールからの出力など) に対して指定される条件。
数値と収束 - 数値解を制御するパラメータとモデルです。
出力変数 - キャビテーションに関連する条件とポストプロセスを指定するために作成される定義式。
これは役に立ちましたか?