噴水推進(jìn)泵臨界空化工況空化流態(tài)試驗(yàn)

龍?jiān)?，馮超，王路逸，王德忠，蔡佑林，朱榮生

（1.江蘇大學(xué) 國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，鎮(zhèn)江212013； 2.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240；3.中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所 噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200111）

空化是離心泵內(nèi)部重要的激勵(lì)源，在泵運(yùn)行過程中或多或少都存在空化現(xiàn)象，尤其在某些苛刻、極端的運(yùn)行條件下，空化的產(chǎn)生對(duì)泵的穩(wěn)定運(yùn)行極為不利。航空燃油泵廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)應(yīng)具備高空、長航時(shí)、高超聲速等特征，意味著燃油泵將在高溫低壓的條件下工作，此時(shí)燃油在高溫環(huán)境下的空化特性，如空化區(qū)域溫度降低，導(dǎo)致當(dāng)?shù)亓黧w介質(zhì)物理特性變化，從而對(duì)空泡結(jié)構(gòu)和流場結(jié)構(gòu)造成影響，其在高溫和低溫介質(zhì)中影響顯著［1］?？栈瘑栴}已成為燃油泵研發(fā)面臨的主要問題之一［2］。

空化是指在液體流場的低壓區(qū)域形成蒸汽空泡的過程。空化現(xiàn)象不僅包含汽相與液相的相變過程，還涉及到大規(guī)模的汽相和液相旋渦運(yùn)動(dòng)。Katz［3］發(fā)現(xiàn)軸向剪切渦結(jié)構(gòu)在分離區(qū)域?qū)栈陌l(fā)展有影響。Laberteaux等［4］采用高速攝像技術(shù)觀察到附著空化閉合區(qū)域出現(xiàn)空化渦流結(jié)構(gòu)。空化試驗(yàn)的費(fèi)用高昂，試驗(yàn)中空化的比尺效應(yīng)無法有效控制，且模型空化試驗(yàn)結(jié)果的換算無統(tǒng)一觀點(diǎn)和準(zhǔn)確充分的理論依據(jù)?？栈鲃?dòng)是一種復(fù)雜的非定常兩相湍流流動(dòng)，汽泡和液體之間有著非常復(fù)雜的質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換。

軍事領(lǐng)域的技術(shù)競爭促進(jìn)了船舶工業(yè)的不斷發(fā)展，推進(jìn)器技術(shù)是船舶性能的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)隱身和精確制導(dǎo)，推進(jìn)器設(shè)計(jì)不僅要具有高速度，而且要滿足低振動(dòng)噪聲。在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用方面，噴水推進(jìn)技術(shù)不僅在高速攻擊艇、海軍高速運(yùn)輸艦、護(hù)衛(wèi)艦、兩棲裝甲車輛等水面艦船上有所應(yīng)用，而且在安靜型核潛艇和魚雷等水下也有所應(yīng)用。噴水推進(jìn)泵利用泵出口和進(jìn)口之間的動(dòng)量差來產(chǎn)生推力。與傳統(tǒng)的螺旋槳相比，噴水推進(jìn)泵具有抗空化性能強(qiáng)、推進(jìn)效率高、振動(dòng)和噪聲水平低、操縱性能好及變工況性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［5］。噴水推進(jìn)泵這些特殊的優(yōu)點(diǎn)促進(jìn)其快速發(fā)展和不斷更新完善，并在高速高性能艦船領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前，海軍強(qiáng)國的新一代艦艇多采用噴水推進(jìn)技術(shù)，如美國、日本、俄羅斯等。

噴水推進(jìn)泵的泵型采用軸流泵或者導(dǎo)葉式混流泵。噴水推進(jìn)泵主要部件包括葉輪、導(dǎo)葉、噴嘴、主軸和吸入彎管。通常，噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì)主要通過對(duì)葉輪和導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)來保證高航速時(shí)效率高，同時(shí)滿足抗汽蝕能力強(qiáng)、振動(dòng)噪聲小等特殊要求。另一種方式是增加轉(zhuǎn)速提高噴水推進(jìn)泵效率，但增加轉(zhuǎn)速將導(dǎo)致葉輪內(nèi)產(chǎn)生空化并伴有噪聲和振動(dòng)，嚴(yán)重影響噴水推進(jìn)泵穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)噴水推進(jìn)泵內(nèi)發(fā)生空化，不僅會(huì)導(dǎo)致推力減小，還會(huì)造成效率下降、噪聲增大［6］，長時(shí)間在這種工況下運(yùn)行還會(huì)導(dǎo)致噴水推進(jìn)泵的水力部件內(nèi)表面金屬剝蝕。噴水推進(jìn)系統(tǒng)的空化，將導(dǎo)致葉片表面剝蝕加速，從而進(jìn)一步導(dǎo)致噴水推進(jìn)泵性能下降。水力部件表面剝蝕嚴(yán)重需停航修理或部件更換，這既降低艦船的整體航速，又造成高額維修費(fèi)用。噴水推進(jìn)泵性能下降還會(huì)影響艦船操縱性和機(jī)動(dòng)性。

為了掌握噴水推進(jìn)泵內(nèi)空化流動(dòng)結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，捕捉空化演變的物理過程，為空化提供試驗(yàn)參考，本文通過高速攝像技術(shù)，結(jié)合壓力測(cè)量研究臨界工況點(diǎn)空化渦結(jié)構(gòu)對(duì)噴水推進(jìn)泵性能的影響。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，開展了噴水推進(jìn)泵在不同進(jìn)口壓力下的空化性能試驗(yàn)和高速攝像可視化試驗(yàn)。隨著泵進(jìn)口壓力的降低，泵的揚(yáng)程會(huì)逐漸下降，當(dāng)揚(yáng)程下降3%時(shí)，對(duì)應(yīng)的空化汽蝕余量為泵的臨界空化汽蝕余量，這是評(píng)價(jià)泵空化性能的關(guān)鍵指標(biāo)，壓力測(cè)量是為了獲得泵的性能，從而判斷泵的臨界空化工況。高速攝影技術(shù)獲取空化圖像處理方面，主要是劃分不同的空化結(jié)構(gòu)，描述不同的空化形態(tài)?？栈l(fā)展瞬息萬變，涉及到汽化水的凝聚過程，相界面不明確且不穩(wěn)定，因此在兩相流流型圖像處理方面并未涉及。

1 空化試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理與試驗(yàn)方法

1.1.1 試驗(yàn)原理

在一定轉(zhuǎn)速和流量下，對(duì)一臺(tái)確定的噴水推進(jìn)泵，其必需汽蝕余量NPSHr為定值，對(duì)于給定的流量，裝置汽蝕余量NPSHa會(huì)隨裝置參數(shù)而變化，泵內(nèi)空化從初生、發(fā)展、臨界空化狀態(tài)到斷裂空化就是通過改變裝置參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。在裝置參數(shù)改變過程中，通過在葉輪外殼開設(shè)有機(jī)玻璃可視窗口，采用高速攝像技術(shù)觀察空化發(fā)展過程中的空化流動(dòng)結(jié)構(gòu)，有機(jī)玻璃可視窗口和泵體完美匹配。

1.1.2 試驗(yàn)方法

噴水推進(jìn)泵內(nèi)發(fā)生空化會(huì)破壞葉輪和液體的能量交換，在外特性上表現(xiàn)為流量揚(yáng)程曲線、流量效率曲線和流量功率曲線下降。在閉式試驗(yàn)臺(tái)用真空泵抽真空，降低泵進(jìn)口處的壓力，逐漸降低NPSHa至泵的揚(yáng)程下降3%。本文試驗(yàn)是在中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所噴水推進(jìn)泵閉式試驗(yàn)臺(tái)上完成的。

1.2 高速攝像采集系統(tǒng)

高速攝像技術(shù)可以得到流體運(yùn)動(dòng)的跡線，從而獲得流體運(yùn)動(dòng)的演化情況［7-12］。高速攝像技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于噴水推進(jìn)泵空化流場形態(tài)及演變可視化的研究中［13-18］。

為了能夠觀測(cè)到葉輪部分的空化流動(dòng)形態(tài)，在葉輪輪緣部分開設(shè)有機(jī)玻璃可視窗口。噴水推進(jìn)泵高速攝像測(cè)量布置如圖1所示。葉輪的中截面和攝像機(jī)縱軸線垂直，盡量使測(cè)量區(qū)域布滿整個(gè)畫面。攝像機(jī)鏡頭到有機(jī)玻璃的距離約為0.5m，拍攝區(qū)域大小約為90mm×180mm。采用的攝像機(jī)為高速攝像機(jī)PCOS，該產(chǎn)品能夠在高光敏度和高動(dòng)態(tài)范圍實(shí)現(xiàn)快速幀率，在全分辨率1008像素×1008像素下拍攝頻率達(dá)到4467幀／s，并能保證良好的圖像質(zhì)量。

對(duì)于噴水推進(jìn)泵空化流動(dòng)的拍攝，拍攝頻率采用如下方法確定。若噴水推進(jìn)泵的轉(zhuǎn)速為n，要求葉輪每旋轉(zhuǎn)一定α角度采集一幅圖像，則拍攝頻率f為

式中：n為葉輪轉(zhuǎn)速，r／m in；α為葉輪旋轉(zhuǎn)角度，（°）。在本次拍攝中，設(shè)置葉輪每旋轉(zhuǎn)2°拍攝1幅圖像，根據(jù)式（1），計(jì)算拍攝頻率值。

圖1 高速攝像可視化系統(tǒng)Fig.1 High-speed photography visualization system

1.3 噴水推進(jìn)泵過流部件三維模型

噴水推進(jìn)泵過流部件三維模型包括進(jìn)口吸入管、導(dǎo)流帽、葉輪、導(dǎo)葉體、可視窗口等，如圖2所示。

圖2 噴水推進(jìn)泵過流部件三維模型Fig.2 Flow passage components’3D model of water-jet propulsion pump

2 結(jié)果分析

2.1 空化性能試驗(yàn)

空化的影響主要有2個(gè)：①造成性能下降（揚(yáng)程、流量、效率）；②造成葉片的沖蝕［19］。圖3給出了噴水推進(jìn)泵在設(shè)計(jì)工況下的空化性能曲線。圖中：H為泵的揚(yáng)程，m。在保證流量不變的情況下，通過降低噴水推進(jìn)泵進(jìn)口壓力直至空化發(fā)生和發(fā)展。從圖3中可以看出，在初始階段（A點(diǎn)），噴水推進(jìn)泵的揚(yáng)程保持恒定，一般認(rèn)為在該點(diǎn)空化未發(fā)生，隨著進(jìn)口壓力降低，揚(yáng)程曲線出現(xiàn)陡降，當(dāng)揚(yáng)程下降3%時(shí)，對(duì)應(yīng)性能曲線上的E點(diǎn)稱為噴水推進(jìn)泵臨界空化工況點(diǎn)。

圖3 設(shè)計(jì)工況下噴水推進(jìn)泵的空化性能曲線Fig.3 Water-jet propulsion pump cavitation performance curve under design condition

2.2 空化形態(tài)

對(duì)噴水推進(jìn)泵中可能出現(xiàn)的幾種空化形式進(jìn)行定義和描述，如圖4所示［20］。

1）片狀空化。通常發(fā)生在葉片進(jìn)口邊位置，呈現(xiàn)形式為附著在葉片表面的空化薄層［21］，其在

圖4 噴水推進(jìn)泵葉頂間隙流動(dòng)結(jié)構(gòu)［20］Fig.4 Flow structures around vane tip clearance in water-jet propulsion pump［20］

葉片上的位置與攻角緊密相關(guān)，正沖角時(shí)片狀空化發(fā)生在葉片吸力面，負(fù)沖角時(shí)片狀空化發(fā)生在葉片壓力面。

2）云狀空化。通常是片狀空化發(fā)生到一定階段后空化破裂形成的，是一種非定常的片狀空化，呈現(xiàn)形式是云團(tuán)或霧狀，其空穴界面是波動(dòng)和湍動(dòng)的，具有較強(qiáng)的不穩(wěn)定特性，其強(qiáng)烈的脈動(dòng)狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致空化長度的強(qiáng)烈振蕩［21］。

4）葉頂泄漏渦空化。在葉片吸力面附近間隙高速流與主流卷吸，形成葉頂泄漏渦結(jié)構(gòu)，渦心的低壓區(qū)域?qū)?huì)誘導(dǎo)葉頂泄漏渦空化，同時(shí)這種葉頂泄漏渦還會(huì)將葉片吸力面的片狀空化的空泡卷入葉頂間隙的高速射流中，在葉頂形成一定的空化區(qū)域。

2.3 臨界空化工況點(diǎn)空化流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律

圖5為臨界空化工況點(diǎn)（圖3中E點(diǎn)）不同葉輪旋轉(zhuǎn)角度噴水推進(jìn)泵內(nèi)部空化流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律?？梢钥闯觯谌~頂區(qū)域存在明顯的葉頂空化，相對(duì)于D點(diǎn)的空化狀態(tài)，在E點(diǎn)的空化更為劇烈，在卷吸的葉頂泄漏渦中也出現(xiàn)更多更大的空泡，三角區(qū)尾緣向主流方向延長，且尾緣處的脫落空化尺度更大，整體上卷吸和翻滾的更加激烈。在初始時(shí)刻，可以觀察到葉片壓力面相鄰葉片脫落的云狀空化，該空化云比D點(diǎn)更向主流延伸。

當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)12°時(shí)，在葉片壓力面附近可以觀察到垂直空化渦，而在葉頂泄漏渦中可以觀察到劇烈翻滾的大尺度空泡，并在之后的各個(gè)時(shí)刻，在葉頂三角區(qū)尾緣均觀察到這種大尺度的空泡。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)36°時(shí)，云狀空化的尾部開始脫落大片的空泡，脫落后的空泡向相鄰葉片運(yùn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)方向從葉片吸力面指向相鄰葉片壓力面。受葉片葉頂泄漏流的卷吸和主流的搓動(dòng)，脫落的云狀空化方向開始垂直于壓力面，如圖5（e）所示。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)60°時(shí)，可以觀察到從三角區(qū)主空化斷裂的云狀空化開始脫落，并隨主流翻滾垂直空化渦進(jìn)入葉頂間隙。此時(shí)的葉頂空化和脫落的云狀空化幾乎占據(jù)了大部分的葉頂流道，表明空化已經(jīng)發(fā)展得很嚴(yán)重，將會(huì)堵塞流道，造成葉片表面強(qiáng)的流動(dòng)分離，在噴水推進(jìn)泵的性能上已經(jīng)產(chǎn)生明顯的影響，導(dǎo)致泵的揚(yáng)程下降3%。

圖5 臨界空化工況點(diǎn)不同葉輪旋轉(zhuǎn)角度空化流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律Fig.5 Cavitation flow structure and its evolution law at different rotating angle of impeller under critical cavitation condition

2.4 臨界空化工況點(diǎn)空化流動(dòng)數(shù)值計(jì)算

為了更好地展示空化發(fā)生后噴水推進(jìn)泵內(nèi)部的空化流動(dòng)結(jié)構(gòu)，也為了后續(xù)空化預(yù)測(cè)方法的提出，本文先分析臨界空化工況點(diǎn)泵內(nèi)空化流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，并與試驗(yàn)對(duì)比。圖6為設(shè)計(jì)流量下臨界汽蝕余量NPSHr＝7.31時(shí)空化渦結(jié)構(gòu)。采用空泡體積分?jǐn)?shù)為0.1的空化等值面來顯示空化區(qū)域，渦結(jié)構(gòu)采用0.029等級(jí)的Q-Criterion來顯示渦心區(qū)域。從圖6中可以看出，葉尖出現(xiàn)了刮起渦（blowing vortex）空化，主流方向與葉片壓力面形成了脫流區(qū)，葉片前緣壓力面區(qū)域也出現(xiàn)了一定程度的片狀附著空化，同時(shí)在葉頂間隙區(qū)域出現(xiàn)了間隙泄漏流角渦（corner vortex）空化，在葉片吸力面出現(xiàn)了片狀空化，在葉頂靠近吸力面出現(xiàn)葉頂間隙泄漏渦空化，在葉片尾緣和中間流面附近出現(xiàn)脫落渦云狀空化。

圖6 臨界空化工況下數(shù)值計(jì)算得到的空化渦結(jié)構(gòu)Fig.6 Cavitation vortex structures calculated by CFD under critical cavitation condition

2.5 討 論

對(duì)比空化的數(shù)值模擬和可視化試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用空泡體積分?jǐn)?shù)為0.1的空化等值面和渦結(jié)構(gòu)和采用0.029等級(jí)的Q-Criterion很好地顯示了空化區(qū)域和渦心區(qū)域，但對(duì)于預(yù)測(cè)空化性能的空化特征，仍需要進(jìn)一步地挖掘和探索。約翰霍普金斯大學(xué)Tan等［23］在研究噴水推進(jìn)泵內(nèi)空化的大尺度渦結(jié)構(gòu)對(duì)泵性能下降的影響時(shí)指出（見圖7［23］），覆蓋在吸力面靠近轉(zhuǎn)子葉片頂部的葉頂間隙渦和尾部附著的片狀空化之間干涉，該干涉對(duì)性能斷裂起關(guān)鍵作用，在葉片吸力面的片狀空化開始在其尾緣脫落出云狀空化，并被葉頂間隙漩渦重新定向成接近垂直于葉片吸力面，并沿著葉輪流道向下游流動(dòng)，如圖8所示［23］。圖8（f）中，橫軸σ為空代數(shù)，縱軸ψ／ψBEP為揚(yáng)程數(shù)。這些漩渦只影響當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)復(fù)雜性，而對(duì)整體噴水推進(jìn)泵的性能影響極小。隨著壓力降低和片狀空化生長逐漸覆蓋葉片表面，該干涉發(fā)生在2個(gè)毗鄰葉片覆蓋區(qū)域，垂直空化渦從始發(fā)葉片的吸力面延伸至相鄰葉片的壓力面。當(dāng)垂直空化漩渦在葉片之間延伸，開始發(fā)生空化斷裂，有效堵塞轉(zhuǎn)子通道頂部區(qū)域，造成噴水推進(jìn)泵的性能下降（見圖8）。

圖7 片狀空化的脫落和垂直空化渦的形成［23］Fig.7 Perpendicular cavitation vortex being re-oriented and formed at sheet cavitation trailing edge［23］

圖8 隨汽蝕余量降低的空化發(fā)展過程［23］Fig.8 Progression of cavitation with cavitation number decreasing［23］

3 結(jié) 論

本文開展了噴水推進(jìn)泵在不同進(jìn)口壓力下的空化性能試驗(yàn)和臨界空化工況下高速攝像可視化試驗(yàn)研究。主要工作和結(jié)論如下：

1）搭建了噴水推進(jìn)泵綜合性能試驗(yàn)和測(cè)試平臺(tái)，獲得了噴水推進(jìn)泵在設(shè)計(jì)工況下的空化性能曲線，采用高速攝像技術(shù)測(cè)得了臨界空化工況時(shí)噴水推進(jìn)泵內(nèi)空化流動(dòng)形態(tài)。

食品安全問題與居民的健康息息相關(guān)，是社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的當(dāng)下，食品行業(yè)雖取得了較為快速的發(fā)展，卻也呈現(xiàn)出良莠不齊的問題，有些食品企業(yè)生產(chǎn)的食品缺乏質(zhì)量保障，對(duì)人們的身體健康造成威脅。作為檢驗(yàn)食品質(zhì)量的重要機(jī)構(gòu)，食品實(shí)驗(yàn)室在保障食品安全方面有重要作用。但是在實(shí)際運(yùn)行過程中，實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)量管理效果并不是很理想，從而影響其重要作用的發(fā)揮。

2）分析了噴水推進(jìn)泵在臨界空化工況下空化流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律。噴水推進(jìn)泵內(nèi)出現(xiàn)的空化形態(tài)有片狀空化、云狀空化、葉頂間隙空化、葉頂泄漏渦空化和新發(fā)現(xiàn)的垂直空化渦。針對(duì)上述空化渦結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程和演化規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)描述。

3）分析臨界空化點(diǎn)NPSHr＝7.31 m時(shí)噴水推進(jìn)泵內(nèi)空化流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，并與試驗(yàn)對(duì)比。采用空泡體積分?jǐn)?shù)為0.1的空化等值面來顯示空化區(qū)域，渦結(jié)構(gòu)采用0.029等級(jí)的Q-Criterion來顯示渦心區(qū)域。結(jié)合數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果，詳細(xì)分析了臨界汽蝕余量下空化渦結(jié)構(gòu)和演變規(guī)律，包括刮起渦、片狀附著空化、間隙泄漏流角渦、葉片壓力面前緣片狀空化、在葉頂靠近吸力面葉頂間隙泄漏渦空化和在葉片尾緣附近出現(xiàn)脫落渦云狀空化。