誘導(dǎo)輪空化流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究

李龍賢，林奇燕，丁振曉

（北京航天動(dòng)力研究所，北京 10076）

0 引言

誘導(dǎo)輪是一種經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的軸流泵葉輪，在航天運(yùn)載系統(tǒng)和能源領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。誘導(dǎo)輪的抽吸性能很大程度上受流場(chǎng)空化的影響，誘導(dǎo)輪是安裝在泵主葉輪前具有軸流式葉輪特征的特殊結(jié)構(gòu)葉輪，可以在部分空化條件下正常工作，但嚴(yán)重的空化將導(dǎo)致誘導(dǎo)輪揚(yáng)程急劇下降，無法為主葉輪提供足夠的進(jìn)口壓頭，引起誘導(dǎo)輪下游部件的空化，導(dǎo)致泵揚(yáng)程的下降。

利用數(shù)值計(jì)算和可視化實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)誘導(dǎo)輪內(nèi)部空化流場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，獲得了誘導(dǎo)輪內(nèi)部空化的發(fā)展過程。將空化流場(chǎng)的可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性，也驗(yàn)證了所用數(shù)學(xué)模型和物理模型的準(zhǔn)確性。對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)的精確分析得到了泵內(nèi)流場(chǎng)壓力分布、空化的發(fā)生以及空化區(qū)的變化與空化數(shù)下降的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得通過對(duì)泵外特性、內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值分析，使得改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高泵的性能的目標(biāo)成為可能。

1 研究方法

1.1 研究對(duì)象

以三葉片誘導(dǎo)輪及其配套主泵為研究對(duì)象，如圖1所示。泵由進(jìn)口管、誘導(dǎo)輪、導(dǎo)流支座、離心輪、擴(kuò)壓器、蝸殼和出口管組成。誘導(dǎo)輪為三葉片變螺距設(shè)計(jì)，直徑為142 mm，葉片軸向跨度70 mm，實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)泵幾何模型圖Fig.1 Geometry model of test pump

圖2 誘導(dǎo)輪實(shí)物圖Fig.2 Inducer photograph

1.2 數(shù)值計(jì)算條件設(shè)置

1.2.1 網(wǎng)格劃分

為提高計(jì)算的收斂性，將入口向前延伸500 mm（約為入口直徑的3.5倍），出口向后延伸200 mm（約為出口直徑的3倍），在Ansys Workbench下劃分網(wǎng)格，復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)區(qū)采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，進(jìn)/出口管延長(zhǎng)區(qū)采用六面體網(wǎng)格?？偩W(wǎng)格數(shù)約為420萬左右，計(jì)算域網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格圖Fig.3 Mesh of calculation field

1.2.2 邊界條件

進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)口，出口設(shè)置為質(zhì)量出口，各固體壁面都采用絕熱無滑移壁面邊界條件，誘導(dǎo)輪外殼、誘導(dǎo)輪輪轂、誘導(dǎo)輪葉片、離心輪前后蓋板和離心輪葉片設(shè)置為移動(dòng)壁面，其他固體壁面都設(shè)置為靜止壁面。

1.2.3 計(jì)算域

整個(gè)計(jì)算域由進(jìn)口管延伸段、誘導(dǎo)輪、導(dǎo)流支座、離心輪、蝸殼和出口管延伸段6個(gè)子域構(gòu)成，如圖3所示，其中誘導(dǎo)輪和離心輪為轉(zhuǎn)子域，其他為靜子域。

1.2.4 求解器

數(shù)值計(jì)算利用CFX計(jì)算軟件，采用有限體積法對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，在控制體積內(nèi)求解NS方程組。對(duì)靜止部件，在絕對(duì)坐標(biāo)系下求解；對(duì)于旋轉(zhuǎn)部件，在相對(duì)坐標(biāo)系下求解；湍流模型選用k-ε雙方程模型。差分格式中，壓力項(xiàng)、速度項(xiàng)、湍動(dòng)能項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式，在臨近固壁的區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)公式進(jìn)行關(guān)聯(lián)。所有控制方程計(jì)算采用基于SIMPLE的標(biāo)準(zhǔn)壓力修正算法。

1.2.5 控制方程

計(jì)算采用基于Rayleish-Plesset空泡動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)出的Singhal空化模型，基本相為液態(tài)工質(zhì)，第二相為氣態(tài)工質(zhì)。通過求解流體混合相的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程以及第二相（氣相）的體積份額方程和相對(duì)速度的代數(shù)表達(dá)式，模擬泵內(nèi)空化流場(chǎng)?；旌夏Ｐ涂梢栽谀承┣闆r下很好地替代歐拉模型，常常能在有限的計(jì)算資源下得到和完善多相流模型近似的模擬結(jié)果。

混合模型允許各相之間相互遷移，所以對(duì)控制容積的體積分?jǐn)?shù)α可以是0和1之間的任意值，取決于該相所占有的空間。

（1）連續(xù)性方程

式中：t為時(shí)間；ρ為氣液混合流體的密度，ρ=αlρl+αvρv，α表示體積分?jǐn)?shù)，l為液相，v為氣相；V?為速度矢量，表示對(duì)速度的散度。

（2）動(dòng)量方程

式中：τ為表面力；SM為由體積力引起的動(dòng)量源項(xiàng)；V?為速度向量；V??V?表示并向量積。

（3）能量方程

式中：e為內(nèi)能；T為溫度；q?為與外界的熱交換率；SΦ為耗散函數(shù)，表示流場(chǎng)中黏性切應(yīng)力的所有作用，由于變形對(duì)流體質(zhì)點(diǎn)做功得到能量源項(xiàng)，這些功由機(jī)械作用產(chǎn)生，使流體運(yùn)動(dòng)并轉(zhuǎn)變成內(nèi)能或熱；SM為體積力引起的動(dòng)量源項(xiàng)，V??SM為體積力做功。

（4）空泡動(dòng)力學(xué)方程

采用的空化模型為基于均質(zhì)多相質(zhì)量輸運(yùn)方程的空化模型，除混合物質(zhì)量守恒外，只需要增加一個(gè)液相或氣相的質(zhì)量守恒方程：

Re、Rc分別為氣泡產(chǎn)生和潰滅的質(zhì)量輸運(yùn)源項(xiàng)。

空化動(dòng)力學(xué)方程采用Rayleigh-Plesset方程：

式中：RB為氣泡半徑；pv為飽和壓力；p∞為遠(yuǎn)場(chǎng)壓力；ρl為液體密度；S為氣泡和周圍液體之間的表面張力系數(shù)。

對(duì)空化的研究涉及到不同的轉(zhuǎn)速和工質(zhì)，為了定量地表示誘導(dǎo)輪在不同工況下的空化程度，需要引進(jìn)一個(gè)相似參數(shù)。通常采用空化數(shù)σ來描述空化的程度，該參數(shù)由Thomas在1924年首先提出[1]，空化數(shù)的定義為：

式中：p∞和u∞為參考?jí)毫退俣龋谡T導(dǎo)輪流場(chǎng)中，通常p∞取入口總壓pin；u∞取誘導(dǎo)輪葉尖速度uT，因此在誘導(dǎo)輪流場(chǎng)中，空化數(shù)可以表示為[2]：

式中：Ω為角速度；rT為葉尖半徑?？栈瘮?shù)表達(dá)式的分子部分是空泡內(nèi)外壓力差，是促使空化潰滅的因素；分母部分是流體的動(dòng)壓頭，是提供能量促使空化發(fā)生的因素。因此，空化數(shù)的物理意義就是對(duì)液體中空化抑制和反抑制的兩個(gè)因素之比。入口總壓pin為流場(chǎng)參數(shù)，與流體動(dòng)能之比表征流動(dòng)狀態(tài)；飽和蒸氣壓pv為物質(zhì)參數(shù)，與流動(dòng)動(dòng)能之比表征液體偏離發(fā)生空化的程度。所以，空化數(shù)不僅與流動(dòng)有關(guān)，而且與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。從空化數(shù)的表達(dá)式可以看出，不同的壓力和速度可以組合成相同的空化數(shù)σ，據(jù)此在試驗(yàn)室中可以模擬所需要的空化狀態(tài)；不同的壓力和速度可以組合成不同的空化數(shù)σ，使流體的空化性能處于不同的狀態(tài)。若不計(jì)比尺效應(yīng)，空化數(shù)σ相同空化狀態(tài)也應(yīng)該相同[3]。

1.3 試驗(yàn)研究

圖4 為泵試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)示意圖。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括三部分，第一部分：試驗(yàn)泵外特性試驗(yàn)系統(tǒng)，包括水系統(tǒng)（水箱、補(bǔ)水泵、抽真空和增壓管線、過濾器、冷卻器和試驗(yàn)管線），動(dòng)力系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)、變速箱、電器控制設(shè)備），泵外特性參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)（進(jìn)出口壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等）；第二部分：動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)輪葉尖間隙壓力脈動(dòng)特性測(cè)量而增設(shè)的系統(tǒng)，包括動(dòng)態(tài)壓力傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等；第三部分：流場(chǎng)可視化試驗(yàn)系統(tǒng)，包括高速相機(jī)、傳輸電纜、圖像采集和記錄系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等。第二、三部分為試驗(yàn)新增部分，為了保證試驗(yàn)安全進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)配備了安全保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖4 試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.4 Test&Measurement system

試驗(yàn)件的改造主要是將泵殼體的進(jìn)口端和誘導(dǎo)輪殼體部分切掉，泵殼體和進(jìn)口法蘭之間用緊固螺栓將透明有機(jī)玻璃殼體夾緊，圖5和圖6分別顯示改造前和改造后的泵水試組合件實(shí)物圖。

透明殼體是可視化試驗(yàn)的觀察窗口，在試驗(yàn)過程中需要承受一定的壓力，因此需要具備較高的強(qiáng)度和良好的透光性。透明殼體選用聚甲基丙烯酸甲脂，透明殼體的內(nèi)徑為143.5 mm，厚度為28.25 mm，長(zhǎng)度為300 mm。透明殼體長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原泵殼體的長(zhǎng)度，這是為了滿足從多個(gè)角度對(duì)誘導(dǎo)輪流場(chǎng)進(jìn)行拍攝的需要而特別設(shè)計(jì)的。

圖5 改造前的試驗(yàn)泵水試組合件實(shí)物圖Fig.5 Prototype of test pump assembly

圖6 改造后的試驗(yàn)泵水試組合件實(shí)物圖Fig.6 Modified test pump assembly

圖7 為可視化試驗(yàn)系統(tǒng)布置圖，試驗(yàn)過程中采用高速相機(jī)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行拍攝，為滿足高速成像的光照需求，采用2臺(tái)三基色燈和1臺(tái)鹵光燈補(bǔ)光。

圖7 可視化試驗(yàn)系統(tǒng)布置圖Fig.7 Visualization test system layout

2 數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)的外特性參數(shù)對(duì)比

為了保證空化流場(chǎng)拍攝的清晰，試驗(yàn)在低轉(zhuǎn)速工況下進(jìn)行。數(shù)值計(jì)算設(shè)置了與試驗(yàn)同樣的轉(zhuǎn)速。通過前面的分析，只要保證流場(chǎng)中空化數(shù)σ相同，流場(chǎng)中的空化程度也相同。

圖8 為3 000 rpm轉(zhuǎn)速工況下試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算所得泵氣蝕性能曲線對(duì)比。揚(yáng)程的測(cè)量是通過安裝在泵進(jìn)出口的靜態(tài)壓力傳感器獲取，數(shù)值計(jì)算采用Singhal空化模型?？梢钥吹接蓴?shù)值計(jì)算得出的揚(yáng)程隨空化數(shù)的變化曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好（最大誤差均在5%以內(nèi)），說明數(shù)值計(jì)算得出的泵外特性參數(shù)比較準(zhǔn)確。

圖8 試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算泵氣蝕性能曲線對(duì)比（3 000 rpm）Fig.8 Pump characteristic curve comparation between test&simulation result（3 000 rpm）

2.2 誘導(dǎo)輪葉片表面壓力分布隨空化數(shù)的變化

根據(jù)對(duì)空泡形成的理論分析，流場(chǎng)的壓力分布是決定空化區(qū)分布的直接因素，因此分析誘導(dǎo)輪葉片壓力分布尤其是低壓區(qū)分布是分析空化區(qū)的必要前提。圖9采用Singhal空化模型計(jì)算得到的6個(gè)典型空化數(shù)下，誘導(dǎo)輪一個(gè)葉片上的壓力分布。

當(dāng)泵入口壓力較高時(shí)，低壓區(qū)首先出現(xiàn)在葉片前緣葉片修圓附近；隨著空化數(shù)σ的減小，低壓區(qū)向葉片后緣和輪轂逐漸蔓延。當(dāng)σ＞0.022時(shí)，盡管葉片前端的壓力逐漸降低，但誘導(dǎo)輪出口仍然維持著較高的壓力；當(dāng)σ≤0.020時(shí)，低壓區(qū)幾乎覆蓋了整個(gè)葉片的吸力面，出口處壓力顯著降低。

2.3 誘導(dǎo)輪葉片表面空化區(qū)分布隨空化數(shù)的變化

若流場(chǎng)中的最低壓力pmin達(dá)到液體的飽和壓力pv時(shí)，在最低壓力點(diǎn)附近的液體就會(huì)發(fā)生空化，并有：

這就是經(jīng)典的空化初生相似率[4]。式中σ為空化數(shù)下標(biāo)i表示空化初生（initial），Cp為壓力系數(shù)根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，試驗(yàn)泵誘導(dǎo)輪試驗(yàn)狀態(tài)下的σi≈0.1，此時(shí)的進(jìn)口壓力要高于設(shè)計(jì)運(yùn)行工況下的進(jìn)口壓力（對(duì)應(yīng)的σ=0.045），也就是說該試驗(yàn)泵誘導(dǎo)輪在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)誘導(dǎo)輪存在一定程度的空化。

圖9 不同空化數(shù)下誘導(dǎo)輪葉片表面壓力分布圖Fig.9 Blade surface Pressure distribution for various cavitation number

空化的變化過程與泵揚(yáng)程的下降有直接的聯(lián)系，空化程度越嚴(yán)重，泵的揚(yáng)程下降越顯著。圖10所示為不同空化數(shù)下誘導(dǎo)輪葉片表面空化區(qū)分布，空化區(qū)用當(dāng)?shù)貧庀嗟捏w積分?jǐn)?shù)αv表示表示控制體積內(nèi)氣相的體積，Vl表示控制體積內(nèi)液體的體積?？栈紫瘸霈F(xiàn)在葉片修圓處末端，隨著空化數(shù)的減小，空化區(qū)域加長(zhǎng)并沿著葉片進(jìn)口邊向輪轂處發(fā)展，但此時(shí)并未出現(xiàn)明顯的揚(yáng)程下降；當(dāng)空化數(shù)σ＜0.03以后，揚(yáng)程開始緩慢地下降；當(dāng)空化數(shù)σ＜0.022以后，誘導(dǎo)輪葉片前緣輪轂處出現(xiàn)空化區(qū)，泵揚(yáng)程下降3%，此后空化區(qū)隨空化數(shù)的降低迅速發(fā)展；當(dāng)σ=0.02時(shí)空化區(qū)發(fā)展到葉片中間，且壓力面開始出現(xiàn)空化區(qū)；當(dāng)σ＜0.015以后空化區(qū)布滿整個(gè)誘導(dǎo)輪流域，誘導(dǎo)輪基本喪失增壓能力。

對(duì)比圖9和圖10可以看出，葉片附近空化區(qū)的產(chǎn)生、發(fā)展與低壓區(qū)分布相對(duì)應(yīng)，低壓是空化產(chǎn)生的水動(dòng)力學(xué)因素，由繞流物體和流動(dòng)狀態(tài)決定。壓力分布對(duì)空化發(fā)生和發(fā)展的作用表現(xiàn)在：一是影響葉片表面邊界層的狀況和分離點(diǎn)的位置，從而影響空化的位置和類型；二是影響空化核的生長(zhǎng)，空化核只有在低壓區(qū)中才能獲得生長(zhǎng)發(fā)育的機(jī)會(huì)，壓力越低，流場(chǎng)內(nèi)的空化核產(chǎn)生的幾率越高，而空化核是空化產(chǎn)生的介質(zhì)因素，是空化發(fā)生的先決條件[5]。

圖1 0 不同空化數(shù)下誘導(dǎo)輪葉片表面空化區(qū)分布圖Fig.10 Blade surface cavitation field distribution for various cavitation number

2.4 試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果分析

圖1 1為空化數(shù)σ=0.06工況下可視化試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的對(duì)比圖，試驗(yàn)是在3 000 rpm轉(zhuǎn)速條件下獲得的流場(chǎng)空化成像，數(shù)值計(jì)算轉(zhuǎn)速為3 000 rpm。圖11（c）為采用動(dòng)畫后處理技術(shù)顯示的空化區(qū)在葉片上的分布與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。圖中給出的空化區(qū)分布是基于對(duì)圖像的后處理結(jié)果，可視化試驗(yàn)無法直接獲得空化區(qū)的密度和體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果由于觀測(cè)窗口的限制只能給出側(cè)視圖單個(gè)葉片上的空化區(qū)分布，數(shù)值計(jì)算結(jié)果則給出了空化區(qū)在3個(gè)葉片上的分布的側(cè)視圖。通過與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，可以看到試驗(yàn)測(cè)得的空化區(qū)大小、形狀以及在葉片上的分布與同等工況下數(shù)值計(jì)算結(jié)果非常相似，可視化試驗(yàn)獲得的空化區(qū)分布與計(jì)算結(jié)果非常相近。

試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算均顯示空化的初生位置位于誘導(dǎo)輪葉片修圓末端，空化起始階段空化區(qū)呈細(xì)長(zhǎng)帶狀附著在靠近葉片前緣的葉尖處，空化區(qū)位置和形狀比較固定。此時(shí)誘導(dǎo)輪流場(chǎng)中空化區(qū)的出現(xiàn)沒有對(duì)泵揚(yáng)程產(chǎn)生顯著影響。

圖1 2為空化數(shù)σ=0.03時(shí)的空化成像及數(shù)值計(jì)算的空化區(qū)分布對(duì)比，圖中試驗(yàn)的工況轉(zhuǎn)速為3 000 rpm，計(jì)算工況轉(zhuǎn)速為3 000 rpm。此時(shí)空化處于發(fā)展階段，試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果均顯示此時(shí)空化區(qū)集中在誘導(dǎo)輪葉片修圓段，較σ=0.06工況時(shí)空化區(qū)的長(zhǎng)度有所增加。整體而言，試驗(yàn)觀測(cè)到的空化區(qū)尺度和分布與數(shù)值計(jì)算結(jié)果是非常接近的。

圖1 1 試驗(yàn)與計(jì)算葉片表面空化區(qū)分布對(duì)比（σ=0.06）Fig.11 Blade surface cavitation field distribution for test&simulation result（σ =0.06）

圖1 2（c）、（d）為空化數(shù)σ=0.06試驗(yàn)觀測(cè)到的空化區(qū)濃度在葉片上的分布與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比?？梢钥吹綄?shí)際的空化區(qū)呈離散的片狀附著在葉片上，而數(shù)值計(jì)算得到的空化區(qū)則呈連續(xù)的片狀。這主要是因?yàn)閷?shí)際的流體流動(dòng)呈強(qiáng)湍流狀態(tài)，計(jì)算采用的是RANS（雷諾平均）數(shù)值方法，但整體而言，采用RANS數(shù)值方法計(jì)算出的空化區(qū)平均分布與試驗(yàn)結(jié)果是比較吻合的。反映出RANS數(shù)值計(jì)算方法在細(xì)節(jié)方面對(duì)微小尺度的旋渦捕捉不夠精細(xì)，但對(duì)于工程應(yīng)用而言，采用RANS數(shù)值方法計(jì)算出的結(jié)果是可以滿足需求的。

圖1 3為空化數(shù)σ=0.022工況條件下的試驗(yàn)空化成像與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的轉(zhuǎn)速均為4 000 rpm，在此工況下整泵的揚(yáng)程已下降3%，達(dá)到工程上泵內(nèi)發(fā)生氣蝕的程度。試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果均顯示此時(shí)空化區(qū)分布于葉片修圓的葉尖處和前緣附近的吸力面上。

圖1 3（c）、（d）為采用動(dòng)畫后處理顯示的空化區(qū)在葉片上的分布與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，可以看到計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度非常好，說明數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)泵揚(yáng)程下降階段誘導(dǎo)輪流場(chǎng)的空化區(qū)分布的反映是比較準(zhǔn)確的。

圖1 2 試驗(yàn)與計(jì)算葉片表面空化區(qū)分布對(duì)比（σ=0.03）Fig.12 Blade surface cavitation field distribution for test&simulation result（σ =0.03）

圖1 3 試驗(yàn)與計(jì)算空化區(qū)分布對(duì)比（σ=0.022）Fig.13 Blade surface cavitation field distribution for test&simulation result（σ =0.022）

圖1 4為空化區(qū)σ=0.02時(shí)，流場(chǎng)試驗(yàn)成像與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的比對(duì)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和計(jì)算轉(zhuǎn)速均為3000 rpm。試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果均顯示此時(shí)空化區(qū)已布滿葉片前緣處的吸力面并蔓延至葉片流道。試驗(yàn)圖像顯示此時(shí)流場(chǎng)處于氣液兩相流的混沌狀態(tài)，空化區(qū)連成片狀且大面積充斥在流場(chǎng)內(nèi)，而采用RANS數(shù)值模型計(jì)算的結(jié)果顯示的是空化區(qū)的平均分布。

圖1 4（c）、（d）為采用動(dòng)畫后處理技術(shù)顯示的空化區(qū)在葉片上的分布與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比，試驗(yàn)過程中由于燈光布置的原因，當(dāng)空化發(fā)展到葉片流道中，流道中下半部分的空化區(qū)因?yàn)榈貌坏焦庠凑丈涠鴽]有被拍攝到。但是從拍攝到的空化區(qū)部分與計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看到兩者之間是比較一致的。

圖1 4 試驗(yàn)與計(jì)算葉片表面空化區(qū)分布對(duì)比（σ=0.02）Fig.14 Blade surface cavitation field distribution for test&simulation result（σ =0.02）

3 結(jié)論

以某低溫發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)泵誘導(dǎo)輪為研究對(duì)象，以數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)為研究手段，對(duì)誘導(dǎo)輪在空化工況下的流場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。構(gòu)建了應(yīng)用于試驗(yàn)泵的空化模型，分析并給定了適用的邊界條件，對(duì)試驗(yàn)泵及誘導(dǎo)輪進(jìn)行了全三維定常仿真計(jì)算。通過數(shù)值分析得到了空化區(qū)在流場(chǎng)中的分布及初生和發(fā)展規(guī)律。在已有的試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性改造，對(duì)試驗(yàn)泵進(jìn)行外特性和流場(chǎng)特性試驗(yàn)，利用高速成像和圖像后處理技術(shù)獲得了清晰的流場(chǎng)動(dòng)態(tài)空化圖像。并將定常數(shù)值計(jì)算所得空化區(qū)分布與空化流場(chǎng)成像試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。可以得到以下結(jié)論：

（1）隨著空化數(shù)的降低，誘導(dǎo)輪內(nèi)低壓區(qū)從葉片修圓位置逐漸向葉片根部和出口蔓延，氣相體積分?jǐn)?shù)分布與低壓區(qū)一致，氣相出現(xiàn)在靜壓小于等于工質(zhì)飽和壓力的區(qū)域。

（2）試驗(yàn)泵在額定工況下運(yùn)行時(shí)，誘導(dǎo)輪內(nèi)即存在小區(qū)域的片狀空化區(qū)，氧誘導(dǎo)輪空化初生的位置位于葉片修圓段末端，隨空化數(shù)的減小，空化區(qū)的增長(zhǎng)經(jīng)歷了一個(gè)由慢到快的過程，σ＞0.03時(shí)，空化區(qū)隨空化數(shù)的降低緩慢增大，σ≤0.03以后空化區(qū)的增長(zhǎng)加快，σ≤0.022以后，空化區(qū)急劇增長(zhǎng)并迅速蔓延至誘導(dǎo)輪流道中，對(duì)液體工質(zhì)流動(dòng)造成阻塞。

（3）利用高速成像技術(shù)和后期圖像處理可以清晰地拍攝到誘導(dǎo)輪流場(chǎng)內(nèi)的空化區(qū)分布及發(fā)展過程，這為研究誘導(dǎo)輪內(nèi)的空化提供了直接的手段。

（4）相同空化數(shù)下數(shù)值計(jì)算得到的空化區(qū)分布與試驗(yàn)流場(chǎng)成像吻合得很好，說明數(shù)值計(jì)算得到的誘導(dǎo)輪內(nèi)部空化流場(chǎng)準(zhǔn)確可信。

（5）采用RANS數(shù)值方法計(jì)算出的空化區(qū)平均分布與試驗(yàn)結(jié)果是比較吻合，但是RANS數(shù)值計(jì)算方法在細(xì)節(jié)方面對(duì)微小尺度的旋渦捕捉不夠精細(xì)，但對(duì)于工程應(yīng)用而言，采用RANS數(shù)值方法計(jì)算出的結(jié)果可以滿足需求。