バルブまたはノズルを通る流れが空洞化するかどうかの推定

私の理解では、静圧が断続的であっても蒸気圧を下回ると、液体の流れにキャビテーションが発生します。そのため、時間平均の静圧（測定可能な値）が蒸気圧より高い場合でも、乱流またはその他の非定常性による圧力変動は、キャビテーションを局所的に引き起こすのに十分な大きさになる可能性があります。そのため、時間平均の静圧を蒸気圧と比較するだけでは不十分です。圧力の変動を考慮して、クッションを追加する必要があります。（これは私の解釈であり、あまり深く読んでいない。）

そのため、さまざまな書籍、Webサイト、および雑誌の記事で、バルブまたはノズルを通る流れがキャビテーションを起こすかどうかを推定するための2種類の無次元数を見てきました。それらは一般にキャビテーションインデックスまたはキャビテーション数と呼ばれます。次の2つの形式のいずれかを使用します。

σ = \frac{p_{in} - p_{vapor}}{p_{in} - p_{out}}

$\sigma = \frac{p_\text{in} - p_\text{vapor}}{p_\text{in} - p_\text{out}}$

または

σ = \frac{p_{in} - p_{vapor}}{\frac{1}{2} ρ V^{2}}

$\sigma = \frac{p_\text{in} - p_\text{vapor}}{\tfrac{1}{2} \rho V^2}$

ここで、は入口圧力、は出口圧力、は蒸気圧、は液体密度、は流れの特性速度です。（たとえば、ノズルの場合、出口での速度）。この数値のいくつかの形式は、上記の数値の反転ですが、これらはそれほど違いはありません。 $p_\text{in}$ $p_\text{out}$ $p_\text{vapor}$ $\rho$ $V$

これらのパラメーターの違いは何ですか？エネルギー保存に基づいて、圧力降下を流量に関連付けることができますが、通常、非理想性を考慮して経験的係数が追加されます。私が行方不明になっているものは他にありますか？

1つの形式が他の形式よりも優先されますか？どちらを使用するかは、所有するデータの種類によって異なります（したがって、タービンブレード上の流れには速度形式が優先されます）が、ノズルでも両方を見ています。

これらの数値に基づいてキャビテーションを予測するための正確なデータはどこで入手できますか？さまざまな雑誌記事のアトマイザーノズルに関するいくつかのデータを使用してみましたが、通常、キャビテーション番号の形式は異なります。一部のデータは、ノズルを通る流れが希望する圧力でキャビテーションを起こすことを示唆していますが、同様のノズルに関する他のデータは、そうではないことを示唆しています。矛盾の原因はわかりません。私の理解は間違っている可能性があり、キャビテーション数モデルは単純すぎて、データは不正確かもしれません。

mechanical-engineering fluid-dynamics multiphase-flow

— ベン・トレテル
ソース

2つの方程式の違い

キャビテーション数は、静圧差と動圧差の比です。したがって、最初の式を使用する場合は、ピトー管を使用して全圧を測定する必要がありますが、2番目の式を使用する場合は、自由流速度を測定する必要がありますが、加速度と境界層の成長の影響の可能性があるため、下流ではなく上流で測定します。また、あなたのあるべき、それは同じ場所に対応するように、この式はエネルギーが流線に沿って保存されていると言うベルヌーイの方程式から導出されるので、測定されます。 $V$ $V_{in}$ $p_{in}$

ある形式が他の形式より優先されますか

キャビテーションの研究で長年働いてきたすべての経験において、私たちはあなたが言及した後者の方程式をほぼ常に使用していました（主に水中翼と推進システムで働いてきましたが）。理由は、レーザードップラー速度計（LDV）を使用すると、侵入法を使用するよりも正確な非侵入速度測定を取得できるためです。

これらの数値に基づいてキャビテーションを予測するための正確なデータはどこで入手できますか？

実験データを使用してキャビテーション数を予測することは困難です。これは、乱流強度や空気核含有量などの違いが原因であり、実際には管理された実験室の方法と一致させることは困難です。従来、私のサークルでは、これはデザインでいくつかのCFD解析コードを実行することで行われます。ここには2つの異なるアプローチがあります。（1）RANSまたはLES手法を使用して平均流を計算します。（2）空気核をモデル化するが、流れ場を必要とするバブル実験コードを使用します。 CFDモデルから）。典型的なRANS CFDモデルを使用して流れ場を計算する場合、キャビテーション数と非常に類似した定義を持つ圧力係数が得られます。

C_{P} = \frac{P - P_{\infty}}{\frac{1}{2} V^{2}}

$C_P = \frac{P-P_\infty}{\frac{1}{2}V^2}$

ノズルでCFD計算を行っている場合、最小圧力の場所を見つける必要があります。これがキャビテーションが発生する場所です。この圧力係数からキャビテーション数を次のように推測できます。

σ = - C_{P}^{m i n}

$\sigma = -C_P^{min}$

$C_P^{min}$

より正確な数値を取得する場合は、キャビテーションの開始には3つのことが同時に発生する必要があることを考慮する必要があります。（1）水の蒸気圧より低い局所的な圧力、（2）空気核（3）空気核は、基本的に急速に成長し、不安定になり、したがって崩壊するのに十分な時間、低圧でなければなりません。これをより正確に推定できるようになったのは、オイラーCFDデータセットを介して空気核を送信することをシミュレートするラグランジアン法を使用することです。この分野の真の専門家の中には、Dynaflow-inc.comの人々がいます。この論文をご覧になることをお勧めします。

Chahine、GL「キャビテーションの開始とノイズに対する核の影響」、第25回海軍流体力学シンポジウム、セントジョンズ、NL、カナダ、2004年8月8〜13日。PDFはこちら

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— ウェス
ソース

これは素晴らしい答えです！あなたは私が知らなかった多くのことを話し、確かに多くの時間を節約しました。ありがとう。この件に関しては、今後いくつかのフォローアップの質問をここに投稿するかもしれません。

— ベントレッテル

もちろん問題ありません。お気軽にお問い合わせください。私はキャビテーションのモデル化、特にキャビテーションの発生を予測することに特化してかなり長い年月を費やしましたが、私はもうその分野で働いていません。だから、他の人がその知識を利用できるとうれしいです。主題の古典的な本の一つはここにある：amazon.com/Cavitation-Bubble-Dynamics-Engineering-Science/dp/...

— ウェス