Расчет температуры при кавитации

[vl 327]

Вот в этой теме http://fsapr2000.ru/index.php?showtopic=2...mp;#entry231236 описана задача, которая свелась к расчету генерации тепла при кавитации.

Кто-то как-то решал эту задачу в cfd пакетах?

[Lynx 1]

А поподробнее про постановку задачи нельзя? Потому как "течет горючая жидкость, в ней присутствует воздух,

надо определить будет ли самовоспламенение", ИМХО ну никак не сводится к "расчету генерации тепла при кавитации".

Даже слова "в ней присутствует воздух" уже вызывают вопрос - а в каком виде присутствует? Растворенный газ? Микропузырьки (грубая оценка - невидимые глазом)? "Макропузырьки" (видимые глазом)? "Снаряды" (воздушные пробки)?

Где именно она течет? Почему вы думаете, что там может быть кавитация?

А самый главный вопрос вообще не относится к гидрогазодинамике - какие условия воспламенения жидкости? Т.е. какая температура, какие диапазоны концентраций паров и т.п.?

[vl 327]

А поподробнее про постановку задачи нельзя?

Труба с перегородками.

Воздух растворен в каком-то процентном соотношении, цифры не знаю, но в невысоком. Течет по трубе. Кавитация действительно возникает - это из результатов многочисленных экспериментов и опыта. Жидкость, скорее всего масло. А может нефть.

А самый главный вопрос вообще не относится к гидрогазодинамике - какие условия воспламенения жидкости? Т.е. какая температура, какие диапазоны концентраций паров и т.п.?

Ничего не могу сказать, не знаю. Но проблему поднимают, значит она возможа в данных условиях эксплуатации. Соответственно, от меня надо выдать результирующую температуру, концентрацию паров и т.п. Отсюда и предмет темы. Признаться больше не пришло мыслей, откуда может приходить тепло (за исключением трения о стенки)

[ivanklok 0]

Труба с перегородками.

Воздух растворен в каком-то процентном соотношении, цифры не знаю, но в невысоком. Течет по трубе. Кавитация действительно возникает - это из результатов многочисленных экспериментов и опыта. Жидкость, скорее всего масло. А может нефть.

Ничего не могу сказать, не знаю. Но проблему поднимают, значит она возможа в данных условиях эксплуатации. Соответственно, от меня надо выдать результирующую температуру, концентрацию паров и т.п. Отсюда и предмет темы. Признаться больше не пришло мыслей, откуда может приходить тепло (за исключением трения о стенки)

Кавитация и кипение - один и тот же процесс, только кипение, это испарение при повышении температуры, а кавитация, это испарение при понижении давления. В обоих случаях это возникает в момент, когда давление в среде становится равным давлению насыщенного пара при данной температуре.

Кавитационные процессы обычно протекают локально и считается, что их термодинамика не влияет на общую термодинамику, поэтому в CFD пакеты, насколько мне известно, заложены изотермические модели кавитации.

Правда, есть один маленький нюанс, это микропроцессы схлопывания пузырьков кавитации, там возникают какие-то бешеные микроскачки давления и температур, но этого никто не учитывает в расчетах, и моделей реальных нет.

[Lynx 1]

Ну если решать в лоб, то напрашивается для начала посчитать все это в таком виде:

Имеем жидкость с примесью (растворенный газ). Модель кавитации нужна такая, чтобы поддерживала моделирование больших кавитационных полостей, заполненных паром, с наличием свободной поверхности (границы раздела жидкость-пар). Что-нибудь вроде BTF (Bubble Two-Phase) модели, только не изотермическая, потому как надо еще учитывать влияние температуры на испарение внутрь полости. По хорошему нужна еще какая-то дополнительная модель для "выпаривания" растворенного газа со свободной поверхности внутрь полости. В итоге получим хотя бы концентрации и станет ясно, возможно ли воспламенение при таком составе смеси.

Тепло там по идее действительно только от стенок. При схлопывании пузырьков конечно локальные давления и температуры огромные, но чтобы этот процесс существенно разогревал жидкость в устройстве, для этого специально не спроектированном - весьма маловероятно. Может ли слопывающийся пузырек поджечь смесь в полости? Даже не знаю... По идее они все или вливаются в полость без фейерверка, или схлопываются достаточно далеко от ее границ. Хороших моделей процессов, происходящих при схлопывании пузырька, все равно нет. Да и плохих по-моему тоже нет

В общем что-то тут не так. Чтобы произошло воспламенение нужна а) смесь воздуха с парами с определенной концентрацией, б) температура. Но смесь с достаточном количестве и с подходящей концентрацией может быть только в большой полости. А температура - только при схлопывании пузырька. Если только изначально жидкость не имеет температуру, близкую к точке воспламенения.

Соответственно если заказчику нужны конкретные рекомендации, то можно посоветовать а) поднять давление на входе, чтобы прекратить кавитацию, б) охладить жидкость перед подачей в устройство.

[Dick 0]

Ну если решать в лоб, то напрашивается для начала посчитать все это в таком виде:

Имеем жидкость с примесью (растворенный газ). Модель кавитации нужна такая, чтобы поддерживала моделирование больших кавитационных полостей, заполненных паром, с наличием свободной поверхности (границы раздела жидкость-пар). Что-нибудь вроде BTF (Bubble Two-Phase) модели, только не изотермическая, потому как надо еще учитывать влияние температуры на испарение внутрь полости. По хорошему нужна еще какая-то дополнительная модель для "выпаривания" растворенного газа со свободной поверхности внутрь полости. В итоге получим хотя бы концентрации и станет ясно, возможно ли воспламенение при таком составе смеси.

Это нереально, да и зачем? :-) "жидкое топливо <-> пары топлива", "воздух растворенный в топливо <-> пузыри воздуха" - поставить такую задачу в CFX просто не получится. Я уже не говорю о том, какая должна быть сетка для нормального разрешения пузырей.

Вообще, мне кажется, что CFD в данном случае может и не понадобится вообще - надо просто детальней изучить вопрос, посмотреть условия возгорания топлива, найти что-нибудь интересное про кавитацию и про кавитационные нагреватели и, возможно, достаточно будет какой-нибудь аналитики. А в CFD можно будет просто ограничиться расчетом распределения давления и температур для обычной жикдости (гомогенной смеси).

[Lynx 1]

Это нереально, да и зачем? :-) "жидкое топливо <-> пары топлива", "воздух растворенный в топливо <-> пузыри воздуха" -

Потому что смотри выше - условий самовозгорания два: наличие нужной смеси и достаточная температура. Ну представьте, что из простого расчета для "обычной жидкости" мы получили, что таки да, температура там вполне может подниматься до точки самовоспламенения. И что? Все плохо, устройство надо выкидывать?

Я уже не говорю о том, какая должна быть сетка для нормального разрешения пузырей.

А зачем разрешать кавитационные пузырики? Если там и будет самовоспламенение, то скорее всего в больших кавитационных полостях, заполненных паром. А они будут вполне себе макроскопические и разрешаемые на нормальной сетке.

надо просто детальней изучить вопрос, посмотреть условия возгорания топлива,

Я про это сказал с самого начала Но товарищ даже не знает пока, что там за жидкость

найти что-нибудь интересное про кавитацию и про кавитационные нагреватели и, возможно, достаточно будет какой-нибудь

Дык вот нету этой аналитики! Я по крайней мере нигде не видел хотя бы эмпирических соотношений типа "при схлопывании пузырька размером N микрон выделяется M милиджоулей энергии". Есть только статьи всяких сумасшедших изобретателей в журналах типа "Техника молодежи", о том что у них кавитация чуть ли не термоядерный синтез запускает.

[Dick 0]

И что? Все плохо, устройство надо выкидывать?

Решение в лоб - часто не самый лучший вариант, тем более для первого расчета. Начинать надо с простого. Я бы для начала посчитал смесь горючее+окислитель с хим.кинетикой, а потом бы мозговал над результатами и следующим шагом. Если автор пишет про возгорание, то либо оно есть, либо нет, но "а вдруг?". Если оно есть, то происходит ли оно от схлопывания пузырьков? Может все проще, а про кавитацию просто где-то кто-то что-то увидел?

А зачем разрешать кавитационные пузырики?

Ну так большие пузырики не на пустом же месте образуются :-) Я не предлагаю бить микроскопическую сетку, все в разумных пределах, смотря что хотим получить и на сколько допустимо ошибиться в их размерах, концентрациях и т.д.

[Lynx 1]

Решение в лоб - часто не самый лучший вариант, тем более для первого расчета. Начинать надо с простого. Я бы для начала посчитал смесь горючее+окислитель с хим.кинетикой,

А зачем с хим.кинетикой? Растворение/выделение газа прекрасно и без нее описывается, а сам процесс горения (сколько сгорает, чего образуется) там никого не интересует - нужно только ответить загориться/не загориться.

Если автор пишет про возгорание, то либо оно есть, либо нет, но "а вдруг?". Если оно есть, то происходит ли оно от схлопывания пузырьков? Может все проще, а про кавитацию просто где-то кто-то что-то увидел?

Очень жаль, что так и не удалось заслушать начальника транспортного цеха! (с)

Это к тому, что автор что-то не принимает активного участия в дискуссии

Ну так большие пузырики не на пустом же месте образуются :-) Я не предлагаю бить микроскопическую сетку, все в разумных пределах, смотря что хотим получить и на сколько допустимо ошибиться в их размерах, концентрациях и т.д.

Модели кавитации обычно устроены гораздо проще. Та же самая BTF выглядит так: есть начальное поле концентрации зародышей и упрощенное по самое нехочу уравнение Рэлея, описывающее их рост в пузырьки. Исходя из этого уравнения и локального значения давления расчитывается концентрация паров, содержащихся в пузырьках. Как только локальная концентрация превышает некоторое пороговое значение, то считаем, что у нас образовалась макроскопическая полость, и врубаем алгоритм VOF (Volume of Fluid) для течений со свободной поверхностью, чтобы отслеживать интерфейс жидкость-пар. Т.е. пузырики как отдельные объекты ни на каком этапе не отслеживаются, они "виртуально присутствуют" Естественно здоровенный кусок физики при этом теряется.

В принципе есть всякие хитрые модели кипения, используемые для расчетов теплообменников, которые могут учитывать рост пузырьков из зародышей до размера, при котором их уже можно отслеживать как отдельные частицы (в лагранжевой постановке) или "в массе", но с учетом эффектов взаимодействия (в эйлеровой постановке), пытаются описывать переход от пузырькового режима к последующим на основании всяких сложных критериев и т.п. Но что-то мне подсказывает, что в данном случае все это не нужно...

[Dick 0]

А зачем с хим.кинетикой?

Просто как вариант - возможно, что горючее воспламеняется относительно долго и успевает проскочить проблемный регион.

Но что-то мне подсказывает, что в данном случае все это не нужно...

Я, собственно, о том же и говорю :)

[Lynx 1]

Просто как вариант - возможно, что горючее воспламеняется относительно долго и успевает проскочить проблемный регион.

Не, если там образуется большая постоянная кавитационная полость (за перегородкой, например), заполненная парами, то ничего никуда не успеет проскочить.

[vl 327]

Если автор пишет про возгорание, то либо оно есть, либо нет, но "а вдруг?". Если оно есть, то происходит ли оно от схлопывания пузырьков? Может все проще, а про кавитацию просто где-то кто-то что-то увидел?

Как я понимаю задачу - именно "а вдруг". Точнее, может быть были и реальные случае, а для конкретной задачи именно так.

В любом случае выходит, что текущие модели кавитации (в CFX и не только) не поддерживают такой возможности. Максимум что есть - это зависимость рождения кавитации от температуры.

А значит в лоб задачу решить не получится.

Другой способ - моделировать пузырь и его внутреннюю термодинамику при сжатии. Но этой уже научная задача, а не инженерная.

По хорошему остается аналитика, если она есть такая.

Так что пока буду ограничиваться просто расчетом кавитации без теплопередачи.

[Lynx 1]

Так что пока буду ограничиваться просто расчетом кавитации без теплопередачи.

Я б предложил для начала посчитать с теплопередачей, но без кавитации. По результатам смотрим а) какие получаются температуры за счет нагрева от трения, чтоб прикинуть, на сколько далеко мы от температуры самовоспламенения (предварительно загоняем заказчику иголки под ногти, чтобы узнать, что это за жидкость и какая температура уже есть на входе в устройство ), б) есть ли области, в которых давление ниже давления насыщенных паров ПРИ ДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ (т.е. при той локальной температуре, которая получилась из расчета).

Потом уже думаем, а стоит ли считать с кавитацией. И опять же, главная проблема будет не в том, что все модели кавитации у вас изотермические, а в том, что нужно еще правильно учитывать выделение растворенного газа внутрь кавитационной полости (большой кавитационной полости, а не микроскопического пузырька!). Потому как иначе не узнаем, может ли гореть та паро-воздушная смесь, что в ней образуется.

[vl 327]

Я б предложил для начала посчитать с теплопередачей, но без кавитации. По результатам смотрим

Понял. Спасибо