بررسی پدیده کاویتاسیون(کاواکزایی) و معرفی مدلهای شبیه سازی آن

در جریان های داخلی مانند انواع شیرآلات و پمپ ها و برخی جریان های خارجی مانند سرریز نیروگاه های آبی جلوگیری از وقوع کاویتاسیون (کاواکزایی) بسیار اهمیت دارد اما از طرفی در برخی جریان های خارجی همین پدیده می تواند دارای مزایایی باشد، از جمله اینکه بواسطه تشکیل در اطراف پرتابه های زیر آبی، باعث کاهش نیروی پسای اصطکاکی وارد بر آن به علت کاهش لزجت در فاز بخار می شود. این موضوع یکی از دلایل عمده استفاده از کاویتاسیون به صورت طبیعی یا مصنوعی در انواع پرتابه های زیرآبی است. هزینه بسیار بالای کارهای آزمایشگاهی از یک طرف و زمان بر بودن مشاهده آثار این پدیده از طرف دیگر، موجب افزایش روز افزون برتری حل عددی در این حوزه شده است. این پایان نامه به منظور مطالعه مدل های شبیه سازی پدیده کاویتاسیون و مقایسه آنها در نحوه ایجاد و گسترش ابر کاواک و تأثیر این پدیده بر جریان می باشد. پس از تعریف پدیده کاویتاسیون، معادلات اساسی حاکم برای تحلیل این پدیده آورده شده است و در نهایت مدل های موجود که برای حل تحلیلی و عددی این پدیده مورد استفاده قرار می گیرند، معرفی شده است. در مطالعه عددی، ابتدا به صورت گذرا به معرفی مدل های شبیه سازی کاویتاسیون پرداخته شده و در ادامه با انتخاب سه مدل از مدل های متداول انتقال جرم در این حوزه یعنی مدل های کانز ، سینگال و زوارت با استفاده از زبان برنامه نویسیc++ تحت لینوکس نسبت به تهیه حلگرهای عددی که توانایی شبیه-سازی این مدل های انتقال جرم را دارند اقدام شده است و در ادامه برای اجرای کدهای عددی از نرم افزار اُپن فوم استفاده گردیده است، سپس نقاط ضعف و قوت هر یک از مدل ها مورد بحث قرار گرفته است. هندسه های مورد استفاده شامل یک اُریفیس و یک ونتوری برای بررسی جریان داخلی و یک هیدروفویل(naca0015) با زوایای حمله متفاوت برای بررسی جریان خارجی انتخاب شده که متناسب با نتایج آزمایشگاهی انجام شده است. مدل زوارت در جریان های داخلی در کل دارای بهترین نتیجه می باشد، در عین حال از توانایی خوب مدل کانز در تحلیل عددی جریان داخلی نیز نمی توان چشم پوشی کرد. همچنین در مورد مدل های مورد بررسی در تحلیل جریان خارجی، نتایج کلی تقریباً نزدیک به هم بوده و هیچ مدلی نسبت به دیگری دارای برتری نمی باشد، ولی در انتها با استفاده از ثوابت تجربی به کار رفته در مدل کانز و جواب های عددی بدست آمده از آن، انتخاب این مدل برای ادامه تحقیقات توصیه می گردد. در ادامه برای شبیه سازی دقیق تر فرضیات فیزیکی با افزودن کمیت دمایی به کدهای عددی حلگرها، مدل های انتقال جرم انتخابی توسعه داده شده اند. در مدل های انتقال جرم مورد بحث فرض بر آن است که فشار بحرانی در طول حل مقداری ثابت دارد و حال آنکه فشار بحرانی تابعی از دما می باشد. با اضافه کردن معادله آگوست- مگنوس که تأثیر دما بر فشار بحرانی را نشان می دهد، مدل های تصحیح شده ای که توانایی داشتن فشار بحرانی متناسب با دمایی که در آن لحظه قرار دارد، ایجاد گردیده است و در انتها مقایسه ای میان نتایج بدست آمده از حل عددی این مدل ها با افزودن دما و نتایج بدست آمده از حل عددی مدل ها بدون تأثیر آن و نتایج آزمایشگاهی موجود برای کمیت هایی نظیر ضریب فشار و ضریب تخلیه انجام شده است. افزودن این توانایی به حلگرها باعث بهبود نتایج بدست آمده نسبت به حالت بدون تأثیر دمایی و بالا رفتن دقت نتایج بدست آمده در مقایسه با سایر نتایج گزارش شده، می باشند.