[发明专利]一种模拟空泡溃灭诱发水垢空蚀的数值方法

说明书

本发明涉及一种模拟空泡溃灭诱发水垢空蚀的数值方法，采用Fortran软件，对构建的流场中的流体质量守恒方程与动量方程进行编程，构建空泡及流场区域模型，对构建的流场中的流体质量守恒方程与动量方程进行求解，采用Tecplot处理软件对求解的文件进行数据分析，提取气泡溃灭时的压力和形态数据，采用计算流体力学软件Ansys/workbench软件平台构建水垢的结构模型并设置水垢的结构参数，通过软件的post后处理模块中得到水垢的形变量以及应力分布云图，以水垢的形变量代替水垢的空蚀程度。与现有技术相比，本发明的优点在于：通过耦合流体控制方程与水垢控制方程，使得该数值方法可以模拟空泡在近壁面处的运动行为，所模拟的空泡形态变化与真实空泡形态变化之间误差较小。

技术领域

本发明涉及一种模拟空泡溃灭诱发水垢空蚀的数值方法。

背景技术

工业及家庭净液体及加热设备在长时间使用后，会在液体容器表面形成致密的金属氧化膜。该金属氧化膜(即水垢，主要包含碳酸钙和碳酸镁)的形成不仅对净液体设备造成永久性损伤，而且极大地损害人体健康。利用空泡溃灭清除水垢是一种高效、环保、且无二次污染的技术手段。空泡溃灭是指液体内部局部压力降低到液体饱和蒸汽压时，液体内部或液固交界面上出现的蒸汽或气体空泡形成、生长、收缩、溃灭，以及由此产生的一系列物理和化学变化的过程。空蚀是指空泡溃灭时形成的微射流与微激波，攻击壁面形成损伤的过程。微射流除垢技术即为利用空泡溃灭时形成的微激波与微射流，及其造成的极端高温高压环境，对材料表面的杂质及污垢进行清除的过程。利用空泡溃灭并冲击壁面实现表面除垢的过程是典型的流固耦合现象。了解并掌握空泡溃灭诱发材料空蚀的流固耦合作用机理能够有效地解决微射流除垢技术的关键问题。

空化与空蚀问题一直是微射流除垢技术领域的核心问题，由于空化与空蚀现象的复杂性，单一空泡溃灭诱发材料形变的机理研究一直是流体力学的重要研究方面之一。研究空泡溃灭诱发材料形变过程不仅是研究多泡空蚀的起点，而且是研究整个气泡-壁面流固耦合问题的基础。目前，现有的对空泡运动模型做过理论研究的技术方案中，大多都是基于假设气泡在运动发展过程中始终保持为球形的基础上进行的，然而实际上，气泡在临近液体边界时，其运动受边界条件影响，在生长、收缩、溃灭阶段不再保持球形，会出现环形溃灭，甚至出现高速射流，而高速射流是微射流除垢的重要因素；因此建立一种模拟空泡溃灭诱发水垢空蚀的数值方法，以实现捕捉空泡溃灭的瞬态演化规律，以及固体材料的应力应变过程，在液体处理行业、微射流除垢等领域具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种模拟空泡溃灭诱发水垢空蚀的数值方法，该方法能够捕捉空泡溃灭的瞬态演化规律，同时还能捕捉固体材料的应力应变过程。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种模拟空泡溃灭诱发水垢空蚀的数值方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)、构建流场中的无量纲控制方程，该无量纲控制方程包括流场中质量守恒方程与动量方程，分别如方程(11)和(12)所示：

上述方程中ρ＝ρ_l+(ρ_l-ρ_g)H_ε(φ)；μ＝μ_l+(μ_l-μ_g)H_ε(φ)；