Schätzung, ob der Durchfluss durch ein Ventil oder eine Düse kavitiert

Meines Wissens tritt Kavitation im Fluss einer Flüssigkeit auf, wenn der statische Druck sogar zeitweise unter den Dampfdruck fällt. Selbst wenn der zeitlich gemittelte statische Druck (was Sie möglicherweise messen) über dem Dampfdruck liegt, können die Druckschwankungen aufgrund von Turbulenzen oder anderen Unsicherheiten groß genug sein, um lokal Kavitation zu verursachen. Es reicht also nicht aus, den zeitlich gemittelten statischen Druck mit dem Dampfdruck zu vergleichen. Sie müssen ein zusätzliches Polster hinzufügen, um die Druckschwankungen zu berücksichtigen. (Dies ist meine Interpretation, nachdem ich nicht zu tief in diese hineingelesen habe.)

In verschiedenen Büchern, Websites und Zeitschriftenartikeln habe ich zwei verschiedene Arten dimensionsloser Zahlen gesehen, um abzuschätzen, ob die Strömung durch ein Ventil oder eine Düse kavitiert. Sie werden allgemein als Kavitationsindex oder Kavitationszahl bezeichnet. Sie haben eine von zwei Formen:

oder

Dabei ist der Einlassdruck, der Auslassdruck, der Dampfdruck, die Flüssigkeitsdichte und eine charakteristische Strömungsgeschwindigkeit (sagen wir im Düsengehäuse die Geschwindigkeit am Auslass). Einige Formen dieser Zahl sind Umkehrungen der obigen Zahlen, aber diese sind nicht so unterschiedlich.$p_\text{in}$$p_\text{out}$$p_\text{vapor}$$\rho$$V$

Was ist der Unterschied zwischen diesen Parametern? Basierend auf der Energieeinsparung können Sie den Druckabfall mit der Durchflussrate in Beziehung setzen. In der Regel wird jedoch ein empirischer Koeffizient hinzugefügt, um Nichtidealitäten zu berücksichtigen. Fehlt mir noch etwas?

Wird eine Form der anderen vorgezogen? Am besten kann ich sagen, ob die eine oder andere verwendet werden soll, hängt davon ab, welche Art von Daten Sie haben (für den Fluss über eine Turbinenschaufel wird die Geschwindigkeitsform bevorzugt), aber ich habe beides auch für Düsen gesehen.

Wo kann ich genaue Daten abrufen, um die Kavitation anhand dieser Zahlen vorherzusagen? Ich habe versucht, einige Daten zu Zerstäuberdüsen aus verschiedenen Zeitschriftenartikeln zu verwenden, aber im Allgemeinen verwenden sie unterschiedliche Formen der Kavitationszahl. Einige Daten deuten darauf hin, dass der Durchfluss durch die Düse bei den von mir gewünschten Drücken kavitiert, andere Daten für ähnliche Düsen deuten darauf hin, dass dies nicht der Fall ist. Ich bin mir nicht sicher, woher die Inkonsistenz stammt. Mein Verständnis könnte fehlerhaft sein, das Modell der Kavitationszahl könnte zu einfach sein, die Daten könnten ungenau sein usw.

Der Unterschied zwischen den beiden Gleichungen

Die Kavitationszahl ist das Verhältnis der statischen Druckdifferenz zur dynamischen Druckdifferenz. Wenn Sie also die erste Gleichung verwenden möchten, müssen Sie den Druck mit einem Staurohr messen, um den Gesamtdruck zu messen. Wenn Sie die zweite Gleichung verwenden möchten, müssen Sie die Geschwindigkeit des Freistroms messen, aber ich würde empfehlen Messung eher stromaufwärts als stromabwärts wegen möglicher Auswirkungen von Beschleunigung und Grenzschichtwachstum. Auch Ihr sollte , so dass es an der gleichen Stelle entspricht , wo gemessen wird , da diese Gleichung von Bernoulli-Gleichung abgeleitet, das sagt der Energie entlang einer Strom konserviert ist. $V$$V_{in}$$p_{in}$

Wird eine Form der anderen vorgezogen?

Nach all meiner langjährigen Erfahrung in der Kavitationsforschung haben wir fast immer die zuletzt genannte Gleichung verwendet (obwohl ich hauptsächlich mit Tragflügelbooten und Antriebssystemen gearbeitet habe). Der Grund dafür ist, dass wir mit der Laser-Doppler-Velocimetrie (LDV) genauere nicht-intrusive Geschwindigkeitsmessungen erhalten könnten als mit einer intrusiven Methode.

Wo kann ich genaue Daten abrufen, um die Kavitation anhand dieser Zahlen vorherzusagen?

Aufgrund der Unterschiede in Sachen Turbulenzintensität und Luftkeimgehalt, die mit kontrollierten Labormethoden in der Realität nur schwer zu erreichen sind, ist es schwierig, experimentelle Daten zur Vorhersage der Kavitationszahl zu verwenden. In meinen Kreisen geschieht dies traditionell durch Ausführen einiger CFD-Analysecodes für Ihr Design. Hierbei gibt es zwei verschiedene Ansätze: (1) Berechnung des mittleren Durchflusses mit Hilfe einer RANS - oder LES - Technik und (2) Verwendung eines Blasendynamikcodes, der die Luftkerne modelliert, jedoch ein Strömungsfeld erfordert (entweder aus experimentellen Messungen oder aus dem aus dem CFD-Modell). Wenn Sie ein typisches RANS-CFD-Modell verwenden, um das Strömungsfeld zu berechnen, sollte es den Druckkoeffizienten liefern, der der Kavitationszahl sehr ähnlich ist:

Wenn Sie eine CFD-Berechnung für Ihre Düse durchführen, sollten Sie den Ort des Mindestdrucks ermitteln, und an diesem Ort sollte Kavitation auftreten. Aus diesem Druckkoeffizienten können Sie die Kavitationszahl ableiten als:

$C_P^{min}$

Wenn Sie eine genauere Zahl erhalten möchten, müssen Sie berücksichtigen, dass beim Auftreten von Kavitation drei Dinge gleichzeitig geschehen müssen: (1) ein lokaler Druckbereich, der unter dem Dampfdruck von Wasser liegt, (2) ein Luftkern das in diesen Niederdruckbereich eintritt, und (3) die Luftkerne müssen für eine ausreichend lange Zeit im Niederdruck sein, damit sie im Grunde genommen schnell wachsen, instabil werden und daher zusammenbrechen. Die Möglichkeit, dies genauer abzuschätzen, besteht darin, eine Lagrange-Methode zu verwenden, die das Senden von Luftkernen durch einen Euler'schen CFD-Datensatz simuliert. Einige der wirklichen Experten auf diesem Gebiet sind die Mitarbeiter von Dynaflow-inc.com. Ich könnte vorschlagen, einen Blick auf dieses Papier zu werfen:

Chahine, GL "Auswirkungen von Kernen auf Kavitationsentstehung und -geräusch", 25. Symposium über marine Hydrodynamik, St. John's, NL, Kanada, 8.-13. August 2004. PDF hier

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