Компьютерное моделирование кавитации с использованием методов вычислительной гидродинамики

Кавитация - крайне нежелательное явление в инженерных сетях. Шум, микро- гидроудары, повреждение ответственных узлов трубопроводной арматуры, насосов и трубопроводов – вот неполный перечень последствий возникновения кавитации. Мы задались вопросом о том, как в мировой инженерной практике исследуется этот вопрос, насколько серьезными могут последствия и что делать, что бы минимизировать возникновение кавитации. В настоящей статье мы познакомим Вас с методами, которыми в современной инженерной науке определяют потенциально возможное возникновение кавитации.

Кавитация – немного теории

Кавитация – это явление, при котором в потоке жидкости, проходящей по трубам под давлением, появляются пузырьки воздуха или полости, заполненные паром этой жидкости. Причина возникновения кавитации – резкое падение давления на отдельных участках потока. Полость или пузырек с низким давлением начинает перемещаться в область с высоким давлением, где разрушается, образуя ударную волну, что сопровождается высвобождением энергии.

Поэтому данный процесс часто неблагоприятно сказывается на состоянии трубопроводных систем и может привести к их повреждению из-за воздействия на них высокого давления, а также вызывая эрозию материалов.

В настоящее время для описания явления кавитации созданы различные математические и аналитические модели с применением методов компьютерного моделирования. Они позволяют определить, при каких условиях возникает кавитация, рассчитать величину звукового давления и прочих параметров и выявить условия, при которых кавитация может иметь негативные последствия для клапанов и других компонентов трубопроводных систем.

Математические модели для расчета возникновения кавитации

Для исследования явления кавитации в США были созданы компьютерные модели, в которых использовались теоретические методы вычислительной гидродинамики (ВГД). Ученые воспроизвели процессы, возникающие вследствие прохождения турбулентного потока через различные конфигурации управляющих клапанов и узлов. Эти модели применялись для расчета давления, плотности и скорости потока и служили для определения условий возникновения кавитации, прогнозирования и оценки ее воздействия на оборудование. Для более наглядного представления математических моделей процессов применялось графическое 3D-моделирование. Кроме того, результаты, полученные методами компьютерного моделирования, сравнивались с фактическими значениями, полученными в результате испытаний.

Первый предложенный способ применения методов ВГД при компьютерном моделировании процесса кавитации – создание математической модели, по которой рассчитывается величина давления в отдельно взятых областях турбулентного потока. Данная модель может эффективно применяться для оценки вероятности появления кавитации, но не учитывает стихийность ее возникновения в отдельной точке.

Второй способ описания кавитации при помощи ВГД – модель колебаний давления, которая использует приближенные значения скорости и плотности вещества, применяемые для расчета давления в каждой точке исследуемой области. Данный способ показал себя наиболее эффективным в случаях, когда разница давления на различных участках потока значительна.

В ходе сравнения двух способов применения ВГД при компьютерном моделировании и фактических значений давления при испытаниях, ученые сделали вывод, что значения, полученные в результате расчета давления в отдельно взятых областях турбулентного потока (первый способ) несколько превосходят фактические значения, а значения, полученные при применении модели колебаний давления (второй способ) ненамного меньше фактических.

От теории к практике – возможно ли определить точки возникновения кавитации

Таким образом, при сравнении значений результатов компьютерного моделирования процессов возникновения кавитации по методам вычислительной гидродинамики с фактическими значениями, можно сделать вывод, что данные методы могут быть успешно использованы для описания кавитации при различных конфигурациях трубопроводных систем.

В дальнейшем мы предложим Вам познакомиться с последствиями кавитации и как снизить ее масштабы. Подписывайтесь на нашу рассылку первыми знакомьтесь с последними исследованиями и новостями.