ANSYS 部落格
January 30, 2020
導致幫浦發生空蝕現象的原因為何以及該如何預防
幫浦、葉輪和螺旋槳是日常基礎設施的基本組成部分。世界各地的發電廠、船隻和生產設施都仰賴著這些零件。
工程師在設計和使用這些機器時，所關注的重點是如何避免空化現象，不讓流體突然發生相變，從而對機械裝置造成物理破壞。
幫浦的空蝕現象，將會對內部機械造成破壞。
爲了避免這種情況，工程師需要確保在正確的系統中安裝正確的設備。模擬是一種符合成本效益的解決方案，可最佳化幫浦的設計和配置，以避免意外的相變。
導致空蝕現象的原因為何？
當流體中形成氣泡或空隙時，壓力會迅速下降到蒸氣壓以下，於是就會發生空蝕現象。當氣泡承受較高的壓力時，它們會坍塌，產生微小的衝擊波，隨著時間導致零件損壞。當這些壓力波將零件衝擊出小孔時，便稱爲孔蝕。
空蝕現象會讓螺旋槳發生孔蝕
幫浦出現空蝕時，通常會出現噪音、振動和性能降低等指標。當開始出現這些警示時，工程師應檢查設備，查看是否有任何孔蝕。
孔蝕是工程師的首要關注事項之一。因爲隨著孔蝕的深化和增加，會降低幫浦的使用壽命和效率。
空蝕對幫浦的影響
但對於工程師來說，還有其他希望減少設備中氣泡形成的原因。例如壓力波會產生振動，可能會導致軸承等其他零件故障。
由於幫浦的空蝕現象也會影響設計的流速和效率，工程師不得不增加功耗以保持高通量。這會導致溫室氣體排放與燃料成本的增加。
如何防止幫浦空蝕現象
防止幫浦出現空蝕現象的最佳方法，是增加幫浦葉輪的上游壓力。這種壓力被稱爲淨正吸入水頭 (NPSH)。
以 Ansys EnSight 視覺化顯示旋轉齒輪幫浦內的油體積，表示
齒輪壁上的空蝕程度 (紅色)。
工程師可用來提高 NPSH 的一些方法：
- 提升上游水庫的水位
- 在幫浦入口加上導流片
- 設計出最佳的葉輪
- 盡量減少上游的流阻損失
- 以較低的流速運轉幫浦
在設計階段，工程師不太可能知道幫浦會安裝在什麼樣的特定配置下。因此，他們會使用計算和模擬來測試各種配置，爲最終用戶提供適當的 NPSH 評分。這些評級有助於為安裝環境搭配幫浦。
傳統上，工程師們會使用 Rayleigh-Plesset 方程式來模擬氣泡的形成。其中的困難在於，由於這些結果是以經驗為基礎，如果輸入的參數調整不當，可能會獲得不切實際的結果。
或者，工程師可以使用 Ansys CFX 中的平衡相變模型來模擬空蝕。它使用材料屬性來預測氣泡的形成，不需要以經驗為基礎的資料。因此不需要調整 Rayleigh-Plesset 方程式，即可產生準確的結果。
然後工程師可以將模擬參數化，快速為設計變更各種配置，以產生 NPSH 評級。他們也還可以建立一個圖表，顯示 NPSH 如何減少幫浦揚程因為突然的相變所造成。
若要瞭解平衡相變模型，請參閱以下的應用程式簡介：空蝕現象：你必須搞清楚的重要 CFD 應用程式。
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