基于文丘里管原理式葉片的離心泵空化特性研究

趙偉國(guó)，路佳佳，趙富榮，李清華

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅蘭州，730050；2.甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州，730050)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在各種類型的泵產(chǎn)品中，離心泵占據(jù)約80%的市場(chǎng)份額[1]，所以，對(duì)離心泵內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行深入研究具有極其重要的作用。然而，離心泵運(yùn)行過程中存在的畸變流[2]嚴(yán)重影響了其性能，空化流便是其中一種最重要的畸變流形式?？栈鲗?duì)離心泵運(yùn)行性能的影響主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：

1)泵性能下降。離心泵內(nèi)發(fā)生空化現(xiàn)象時(shí)，空穴導(dǎo)致流體的能量交換受到影響，積聚的空穴造成泵揚(yáng)程大幅度下降，葉輪喪失做功能力[3]。

2)離心泵的非定常特性增強(qiáng)，導(dǎo)致離心泵運(yùn)行狀態(tài)極不穩(wěn)定。當(dāng)離心泵內(nèi)空化發(fā)生時(shí)，空穴在低壓區(qū)產(chǎn)生、脫落，被主流流體輸運(yùn)到高壓區(qū)，高壓流體的擠壓作用導(dǎo)致空泡潰滅，潰滅過程產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波導(dǎo)致離心泵內(nèi)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)和噪聲[4]。研究表明，在泵進(jìn)口注入空氣可以緩沖空化產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲[5]。

3)空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高頻沖擊可達(dá)25 kHz，壓力可達(dá)49 MPa[6]，對(duì)固壁表面產(chǎn)生嚴(yán)重侵蝕，影響了泵的使用壽命。

為延遲離心泵內(nèi)空化初生和抑制空化泡發(fā)展，首先要了解離心泵內(nèi)空化流的發(fā)生及發(fā)展機(jī)理。離心泵葉輪內(nèi)主要的空化形式為葉片前緣空化[7]，一般在葉片進(jìn)口邊附近產(chǎn)生，并且會(huì)隨著泵進(jìn)口壓力的不斷降低逐漸由游離的微小氣泡發(fā)展成為附著的片空化狀態(tài)[8]。根據(jù)離心泵內(nèi)空化現(xiàn)象的發(fā)展過程，可將其分為3個(gè)主要階段，即初生空化階段、弱空化階段和劇烈空化階段。當(dāng)泵進(jìn)口壓力下降，葉輪內(nèi)局部壓力下降到該溫度下的飽和蒸汽壓以下時(shí)，葉片進(jìn)口邊附近會(huì)產(chǎn)生微小氣泡，并在此區(qū)域潰滅，這一階段稱為空化初生階段[9]。離心泵在此工況下運(yùn)行時(shí)，葉片做功能力不受空化泡影響，但空化泡會(huì)導(dǎo)致離心泵運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性變差，同時(shí)，微小空化氣泡的潰滅導(dǎo)致葉片表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕[10]，影響離心泵的使用壽命。在弱空化階段，空化泡形態(tài)較穩(wěn)定，在葉輪中的位置也相對(duì)固定，但葉輪內(nèi)空化狀態(tài)處于此階段時(shí)會(huì)誘發(fā)葉輪內(nèi)強(qiáng)烈的非定常特性。當(dāng)泵進(jìn)口壓力再次降低時(shí)，到達(dá)劇烈空化階段，大量空化泡的存在對(duì)葉輪內(nèi)流體的能量交換能力產(chǎn)生明顯影響，導(dǎo)致葉片工作能力下降，泵揚(yáng)程驟降[11]。

基于空化發(fā)生及發(fā)展的機(jī)理，一些學(xué)者采取一些有效的方法控制離心泵內(nèi)空化的發(fā)生及發(fā)展，如朱兵[12]提出了縫隙引流葉片抑制葉輪內(nèi)空化的方法，即在葉片前緣添加偏置小葉片，將主流流體分成2部分，其中，一部分按原流動(dòng)軌跡流動(dòng)，另一部分流向葉片進(jìn)口背面空化發(fā)生區(qū)，以提高葉片背面的壓力，從而控制空化的發(fā)生及發(fā)展。數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)研究結(jié)果表明，偏置小葉片結(jié)構(gòu)能夠?qū)θ~輪內(nèi)空化產(chǎn)生明顯的抑制效果，有效提高離心泵的空化性能；張文著等[13]研究了縫隙引流葉片內(nèi)的振動(dòng)特性及壓力脈動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)這種形式的葉片可降低離心泵葉輪內(nèi)部的壓力脈動(dòng)及二次流輸送效應(yīng)，表明在抑制離心泵內(nèi)空化發(fā)展的同時(shí)也使葉輪內(nèi)的空化泡更加穩(wěn)定，空穴震蕩減弱，葉輪內(nèi)非定常性減弱；趙偉國(guó)等[14]將在翼形表面布置障礙物抑制空化的理論應(yīng)用到離心泵的空化研究中，發(fā)現(xiàn)此方案在離心泵中同樣能起到抑制空化的作用，其主要機(jī)理在于當(dāng)葉輪內(nèi)空化狀態(tài)處于云空化時(shí)，障礙物可以有效阻擋云空化所產(chǎn)生的回射流，從而對(duì)葉輪內(nèi)空化產(chǎn)生有效的抑制作用，并且增加了葉輪內(nèi)空化泡的穩(wěn)定性，降低了葉輪流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)；胡贊熬等[15]對(duì)低比轉(zhuǎn)速離心泵進(jìn)口邊開孔形式的葉片進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)開孔可以有效降低葉輪進(jìn)口環(huán)量，使得離心泵的揚(yáng)程和效率都有所提高，同時(shí)，壓力面流向吸力面的高壓流體可以提高葉片背面的壓力，抑制空化流。為此，本文作者在前人研究成果基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)幾種基于文丘里管原理的葉片，并分析文丘里管喉部幾何參數(shù)與空化抑制效果的關(guān)系。

1 數(shù)值求解方法

1.1 控制方程

流體流動(dòng)過程中所采用的控制方程如下。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

式中：i=1，2，3；j=1，2，3；ui和uj為流體速度分量，m/s；xi和xj為坐標(biāo)軸分量；ρ為流體密度，kg/m3；p為壓力，Pa；υ為運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，m/s2；Fi為質(zhì)量力，m/s2；t為時(shí)間，s。

1.2 湍流模型

單相計(jì)算采用Standardk-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算，待計(jì)算結(jié)果收斂后，以單相計(jì)算的結(jié)果為初值再次對(duì)空化條件下的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。采用修正的SSTk-ω湍流模型[16]進(jìn)行空化計(jì)算。對(duì)SSTk-ω湍流模型修正的方法主要是通過密度函數(shù)f(ρ)代替密度ρ，方程式見式(3)和式(4)，湍流黏度修正函數(shù)變化曲線如圖1所示。

圖1 湍流黏度修正函數(shù)曲線Fig.1 Correction function curves of turbulent viscosity

式中：k為湍流能，m2/s；ω為耗散率；ρv為氣相密度，kg/m3；ρl為液相密度，kg/m3；ρm為氣液混合相密度，kg/m3；n為常數(shù)。

研究結(jié)果表明[17-18]，在空化計(jì)算過程中，當(dāng)n取10 時(shí)，湍流黏度計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果更吻合，故本文計(jì)算過程中取n=10。

1.3 空化模型

在空化計(jì)算過程中采用KUBOTA 等[19]提出的空化模型，又稱ZGB(Zwart Gerber Belamri)空化模型。該模型是在泡動(dòng)力學(xué)方程Rayleigh-Plesset[20]的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，泡動(dòng)力學(xué)方程為

式中：RB為空泡半徑，m；σ為表面張力系數(shù)；pv為氣泡壓力，Pa。

空化過程中氣液兩相之間的傳質(zhì)率S如下所示：

當(dāng)p＜pv時(shí)，

當(dāng)p＞pv時(shí)，

式中：Fvap為蒸發(fā)系數(shù)，取50；Fcond為凝結(jié)系數(shù)，取0.01；RB取10-6m；rv為氣泡體積分?jǐn)?shù)；rnuc為氣化核心氣泡體積分?jǐn)?shù)，取5×10-4。

1.4 數(shù)值算法驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比分析，判斷數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)在甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室搭建的離心泵水力測(cè)試系統(tǒng)上完成，離心泵可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括壓力罐、直徑×高度為1 200 mm×1 600 mm 的氣蝕罐、電磁流量計(jì)、有機(jī)玻璃制成的可視化離心泵、扭矩儀、三相異步電動(dòng)機(jī)及各種閥門及管道。在額定轉(zhuǎn)速下的全流量運(yùn)行狀態(tài)實(shí)驗(yàn)中，泵的流量工況點(diǎn)由出口閥門控制；空化實(shí)驗(yàn)通過真空泵降低閉式管路系統(tǒng)的進(jìn)口壓力，從而使離心泵內(nèi)發(fā)生空化。

圖2 離心泵可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Visualization experimental platform of centrifugal pump

圖3所示為不同流量下?lián)P程和效率數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(圖中Q為流量，Q0為額定定工況點(diǎn)的流量)。從圖3可以看出：當(dāng)流量為1.2Q0時(shí)，揚(yáng)程和效率相對(duì)誤差均最大，揚(yáng)程相對(duì)誤差為4.86%，效率相對(duì)誤差為4.82%。綜上所述，對(duì)于非空化流場(chǎng)，揚(yáng)程和效率相對(duì)誤差均在5.00%以內(nèi)，可滿足精度要求，說明該數(shù)值模擬方法可用于計(jì)算離心泵內(nèi)非空化流場(chǎng)。

圖3 外特性對(duì)比曲線Fig.3 Comparison curves of external characteristics

裝置空化余量又稱空化余量，是指泵進(jìn)口處單位質(zhì)量液體具有的總水頭減去單位質(zhì)量液體的氣化壓力水頭，國(guó)外將其命名為有效凈正吸頭，指泵進(jìn)口液體的全水頭減去氣化壓力水頭，一般用HNPSa表示，表達(dá)式如下：

式中：pinlet為泵進(jìn)口總壓，Pa；pv為飽和蒸汽壓，本文中取純水25 ℃時(shí)的飽和蒸汽壓3 169 Pa。

圖4所示為不同空化余量下?lián)P程實(shí)驗(yàn)值與模擬值的空化特性曲線對(duì)比結(jié)果。從圖4可見：在未發(fā)生空化的工況下，揚(yáng)程模擬值稍高于實(shí)驗(yàn)值，這與計(jì)算非空化流時(shí)得到的結(jié)果相近；當(dāng)葉輪發(fā)生空化時(shí)，在揚(yáng)程斷裂點(diǎn)誤差最大為3.7%?？傮w而言，揚(yáng)程數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合，此模擬方法可用于后續(xù)計(jì)算。

圖4 空化特性對(duì)比曲線Fig.4 Comparison curves of cavitation characteristics

2 物理模型及數(shù)值求解

2.1 物理模型及計(jì)算網(wǎng)格

本文主要研究比轉(zhuǎn)速為32 時(shí)的單級(jí)單吸離心泵。模型泵主要參數(shù)如下：流量為8.6 m3/h，轉(zhuǎn)速為500 r/min，葉片數(shù)為6 片。水體三維造型如圖5所示。

圖5 水體域三維造型Fig.5 Three-dimensional modeling of water body

在數(shù)值計(jì)算過程中，網(wǎng)格質(zhì)量及網(wǎng)格形式是影響計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)性的主要因素。物理結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的進(jìn)口段、腔體、葉輪采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；而對(duì)于具有復(fù)雜外形構(gòu)造的幾何體蝸殼，建立空間拓?fù)潢P(guān)系較困難，且結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量較低，故選擇能夠適合復(fù)雜幾何構(gòu)造的四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。計(jì)算域三維網(wǎng)格如圖6所示。為避免網(wǎng)格數(shù)量引起計(jì)算結(jié)果的誤差，設(shè)計(jì)3種不同密度的網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果如表1所示?？紤]到經(jīng)濟(jì)性與準(zhǔn)確性2 個(gè)方面的因素，最終確定中等數(shù)量的網(wǎng)格，即采用總網(wǎng)格數(shù)為2 077 156 個(gè)進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

圖6 計(jì)算域三維網(wǎng)格Fig.6 Three-dimensional grid of computational domain

表1 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)Table 1 Check of grid independence

2.2 基于文丘里管原理的葉片幾何模型

模型幾何結(jié)構(gòu)如圖7所示。從圖7可以看出葉片的縫隙有一個(gè)先從大變小后從小變大的過程，這一結(jié)構(gòu)與文丘里管的結(jié)構(gòu)極其相似，因此，其內(nèi)部流動(dòng)與文丘管內(nèi)的流動(dòng)相似。離心泵是用來提高液體壓力的水力機(jī)械，其工作原理是通過葉片的旋轉(zhuǎn)過程將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力勢(shì)能。隨著流體向葉輪出口流動(dòng)，葉輪內(nèi)流體壓力不斷升高，為了使文丘里管射流結(jié)構(gòu)對(duì)葉輪內(nèi)空化發(fā)展起到有效的抑制作用，在壓力相對(duì)較高且距空化發(fā)生區(qū)位置較近的區(qū)域即葉片中部設(shè)置文丘里管式射流結(jié)構(gòu)。文丘里管喉部幾何參數(shù)是影響其工作效率的關(guān)鍵因素，將此原理應(yīng)用到離心泵空化控制中時(shí)，喉部幾何參數(shù)對(duì)空化流的影響尤為明顯。喉部深度參數(shù)定義為

圖7 模型幾何結(jié)構(gòu)Fig.7 Model geometries

式中：h為縫隙深度；d為縫隙處葉片的軸向?qū)挾取?/p>

模型幾何數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 模型幾何數(shù)據(jù)Table 2 Model geometry data

2.3 邊界條件及求解策略

計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性除了受網(wǎng)格參數(shù)的影響外，邊界條件的設(shè)置也是影響計(jì)算結(jié)果的重要因素。在計(jì)算過程中，進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)口，出口設(shè)置為質(zhì)量流量出口，壁面采用無滑移邊界；近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，葉輪與進(jìn)口和蝸殼的交接面設(shè)置為動(dòng)靜轉(zhuǎn)子(rotor stator)。

進(jìn)行非定?？栈?jì)算時(shí)，采用定?？栈挠?jì)算結(jié)果為初值，動(dòng)靜交接面選擇瞬態(tài)動(dòng)靜轉(zhuǎn)子(transient rotor stator)，時(shí)間步長(zhǎng)選擇葉輪旋轉(zhuǎn)3°為1個(gè)計(jì)算周期，即時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)為1.2 s，即葉輪旋轉(zhuǎn)10 圈，取最后1 圈的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 外特性分析

計(jì)算4種不同模型的單相流場(chǎng)和空化流場(chǎng)。對(duì)于離心泵內(nèi)的單相定常流動(dòng)，計(jì)算0.4Q0，0.6Q0，0.8Q0，1.0Q0，1.2Q0，1.4Q0這6種工況下的揚(yáng)程和效率(其中，Q0為計(jì)算流量)，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。從圖8可見：帶有文丘里管式射流結(jié)構(gòu)的模型與原始模型的揚(yáng)程和效率均相差不大，文丘里管式射流結(jié)構(gòu)對(duì)離心泵性能影響較小，不會(huì)導(dǎo)致泵性能明顯下降，從而不會(huì)影響離心泵的正常運(yùn)行。空化曲線如圖9所示。從圖9可以看出：當(dāng)空化余量大于1.0 m 時(shí)，不同葉輪模型的揚(yáng)程相差不大；當(dāng)空化余量為0.2～1.0 m時(shí)，葉輪內(nèi)空化現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致泵揚(yáng)程明顯下降；在相同揚(yáng)程下，改型葉輪結(jié)構(gòu)的空化余量明顯增加；當(dāng)葉輪內(nèi)空化狀態(tài)到達(dá)劇烈空化狀態(tài)即空化余量下降到0.2 m時(shí)，文丘里管式射流結(jié)構(gòu)對(duì)葉輪內(nèi)空化流的抑制效果顯著，揚(yáng)程均未出現(xiàn)明顯斷裂現(xiàn)象。從圖9還可看出：對(duì)于不同的葉輪模型，當(dāng)H1葉輪模型在空化余量為0.60 m和0.35 m時(shí)，揚(yáng)程出現(xiàn)微小下降；當(dāng)空化余量為0.20 m 時(shí)，泵揚(yáng)程明顯下降，但與原模型相比，下降量較小。綜上所述，此結(jié)構(gòu)對(duì)弱空化階段及劇烈空化階段都有明顯抑制作用，能夠明顯提升離心泵在空化工況下的運(yùn)行效率，其中，H1葉輪模型的提升效果最明顯。

圖8 外特性曲線Fig.8 External characteristic curves

圖9 空化特性曲線Fig.9 Cavitation characteristic curves

3.2 不同葉輪模型內(nèi)空泡體積分?jǐn)?shù)的變化

葉輪內(nèi)空泡體積分?jǐn)?shù)rimp定義為

式中：N為葉輪內(nèi)總控制單元數(shù)目；rv.i為第i個(gè)控制單元內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)；Vi為第i個(gè)控制單元體積；Vimp為葉輪體積。

空化體積分?jǐn)?shù)變化如圖10所示。從圖10可以看出：當(dāng)空化余量為1.0 m時(shí)，葉輪內(nèi)空泡體積分?jǐn)?shù)隨葉輪旋轉(zhuǎn)不斷波動(dòng)，但空泡體積分?jǐn)?shù)的變化總體變化變化量較?。划?dāng)空化余量為0.60 m 和0.35 m時(shí)，4種不同葉輪形式的空泡體積變化趨勢(shì)基本一致，均是先增大后下降，但與原模型相比，文丘里管原理式葉輪能夠有效地降低空泡的增加率，導(dǎo)致空泡體積分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)速率減小；當(dāng)空化余量為0.20 m時(shí)，4種葉輪形式的空泡體積分?jǐn)?shù)均逐漸下降，變化趨勢(shì)基本一致。出現(xiàn)這種變化趨勢(shì)與葉輪內(nèi)空化流所處的空化狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)空化余量為0.60 m 和0.35 m 時(shí)，葉輪內(nèi)空化狀態(tài)為弱空化狀態(tài)，空化流極不穩(wěn)定，射流作用導(dǎo)致這種不穩(wěn)定性更加明顯，從而對(duì)葉輪內(nèi)空化的蒸發(fā)速率和凝結(jié)速度產(chǎn)生較大影響；而當(dāng)空化余量為1.00 m 時(shí)，空化泡處于空化初生狀態(tài)，空化量較小，射流不會(huì)產(chǎn)生較大變化；當(dāng)空化余量為0.20 m時(shí)，為劇烈空化階段，空化泡呈穩(wěn)定的云空化狀態(tài)，空化泡較穩(wěn)定，射流增加了低壓區(qū)能量，導(dǎo)致空泡體積分?jǐn)?shù)發(fā)生明顯變化，但射流引起的變化不足以導(dǎo)致空泡體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)產(chǎn)生較大變化。

圖10 空化體積分?jǐn)?shù)變化Fig.10 Volume fraction change of cavitation

在1個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，文丘里管式射流結(jié)構(gòu)對(duì)空泡體積分?jǐn)?shù)的影響結(jié)果如表3所示。從表3可見：當(dāng)空化余量為1.00 m時(shí)，處于空化初生階段。所以，此階段不能作為空化抑制作用的主要依據(jù)，故不對(duì)其進(jìn)行分析。在弱空化階段，即當(dāng)空化余量為0.60 m 和0.35 m 時(shí)，葉片工作面與背面的壓差較大，喉部的頸縮效應(yīng)占主導(dǎo)地位，因此，H1模型的抑制效果最明顯；當(dāng)空化余量下降到0.20 m即葉輪內(nèi)空化達(dá)到劇烈空化階段時(shí)，H3 葉輪模型的空泡體積分?jǐn)?shù)下降最明顯。

表3 空泡體積分?jǐn)?shù)下降量Table 3 Volume fraction reduction of vapor %

3.3 非定常特性分析

定義葉片通過頻率f為

式中：n為轉(zhuǎn)速，r/min，本文取500；Z為葉片數(shù)，本文取6。經(jīng)計(jì)算得f=50 Hz。

為分析基于文丘里管原理葉片對(duì)離心泵內(nèi)瞬態(tài)空化特性影響，在葉輪內(nèi)設(shè)置如圖11所示的監(jiān)測(cè)點(diǎn)P，監(jiān)測(cè)流道內(nèi)絕對(duì)壓力的變化，并對(duì)1個(gè)周期內(nèi)的壓力進(jìn)行快速傅里葉變換得到圖12所示的壓力頻譜圖。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.11 Location of monitoring point

由于葉輪與蝸殼之間的動(dòng)靜干涉作用，監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力呈周期性變化，其變化規(guī)律與葉輪轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)有關(guān)。從圖12可見：所有模型壓力脈動(dòng)主頻為50 Hz，與葉頻相等；原始葉輪與改變后的葉輪模型壓力脈動(dòng)頻率變化特征的主頻特性保持一致。

圖12 壓力頻譜Fig.12 Frequency spectra of pressure

圖13所示為不同模型不同空化數(shù)下的壓力脈動(dòng)主頻幅值。從圖13可見：當(dāng)空化余量為1.0 m時(shí)，射流對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生優(yōu)化作用，流動(dòng)更加穩(wěn)定，壓力脈動(dòng)主頻幅值下降；而對(duì)于不同的射流結(jié)構(gòu)，在此空化工況下，壓力脈動(dòng)主頻幅值相差不大，即文丘里管喉部結(jié)構(gòu)對(duì)空化初生狀態(tài)的流體流動(dòng)影響較??；當(dāng)空化余量為0.60 m 和0.35 m 時(shí)處于弱空化階段，與模型相比，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主頻幅值明顯下降，其中，H1 模型的壓力脈動(dòng)主頻幅值下降更加明顯；當(dāng)空化余量下降到0.20 m 即葉輪內(nèi)空化達(dá)到劇烈空化階段時(shí)，H3 葉輪模型的壓力脈動(dòng)主頻幅值最小，這與葉輪內(nèi)空泡體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)基本一致。這說明此結(jié)構(gòu)在減小空泡體積分?jǐn)?shù)的同時(shí)，也使得空化泡的穩(wěn)定性增加，空穴震蕩減弱。

圖13 壓力主頻幅值Fig.13 Amplitudes of dominate frequency of pressure

3.4 空化控制的內(nèi)在機(jī)理

以H1 葉輪模型在空化余量為0.20 m 時(shí)的工況為例，研究此射流結(jié)構(gòu)對(duì)離心泵空化流產(chǎn)生抑制作用的內(nèi)在機(jī)理。

根據(jù)“飽和蒸汽壓”理論，在水力機(jī)械運(yùn)行過程中，當(dāng)液體局部壓力低于流體介質(zhì)的飽和蒸汽壓時(shí)，空化現(xiàn)象便會(huì)發(fā)生，所以，壓力是影響離心泵空化現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵因素。葉片工作面的高壓流體經(jīng)基于文丘里管的射流結(jié)構(gòu)流向葉片背面，改變了葉輪內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布。葉輪不同截面壓力分布見圖14。從圖14可以看出：葉輪內(nèi)的低壓區(qū)明顯減小，與之相對(duì)應(yīng)的空泡體積也明顯減小，射流對(duì)葉輪內(nèi)的空化現(xiàn)象產(chǎn)生了明顯的抑制作用；同時(shí)，射流對(duì)葉輪內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，改變了葉輪內(nèi)流動(dòng)特性，這一特點(diǎn)表現(xiàn)在泵的性能參數(shù)即泵揚(yáng)程和效率發(fā)生了變化。

圖14 葉輪不同截面壓力分布Fig.14 Pressure distribution of different sections of impeller

速度作為反映流場(chǎng)流動(dòng)最直觀的參數(shù)，用于分析2種葉輪形式下的流動(dòng)情況對(duì)研究空化抑制機(jī)理具有非常重要的意義。葉輪中截面速度分布見圖15。從圖15可以看出：葉片工作面的高壓流體經(jīng)射流結(jié)構(gòu)流向葉片背面，射流出口區(qū)域的出現(xiàn)高速區(qū)導(dǎo)致葉片背面的附面層結(jié)構(gòu)和失速渦旋結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這影響了流道內(nèi)的流體流動(dòng)過程，進(jìn)而導(dǎo)致葉輪空化泡析出規(guī)律發(fā)生變化。這種影響表現(xiàn)在渦結(jié)構(gòu)的變化，如圖16所示。從圖16可以觀察到高壓高能對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生了明顯的切割作用，導(dǎo)致射流孔出口渦量增加，Q明顯增強(qiáng)。同時(shí)，這種切割作用對(duì)葉輪內(nèi)的軸向漩渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，使得軸向漩渦增強(qiáng)，但漩渦范圍出現(xiàn)了明顯的減小趨勢(shì)。

圖15 葉輪中截面速度分布Fig.15 Velocity distribution of different sections of impeller

圖16 葉輪不同截面渦結(jié)構(gòu)分布Fig.16 Vortex structure distribution of different sections of impeller

湍流是自然中存在的極為復(fù)雜的流體流動(dòng)現(xiàn)象，具有多尺度和非定常的鮮明特性。湍動(dòng)能作為表征湍流強(qiáng)度的參數(shù)，具有能量高和傳遞快等特點(diǎn)。葉輪中截面湍動(dòng)能分布見圖17。從圖17可以看出：一方面在射流孔出流區(qū)，湍流強(qiáng)度增加，使得葉輪內(nèi)損失增加；另一方面，葉輪內(nèi)空泡體積分?jǐn)?shù)明顯減小且射流使得空化泡更加穩(wěn)定，葉輪出口的湍動(dòng)能明顯下降，非定常性引起的湍流脈動(dòng)減弱。在此工況下，射流孔出口區(qū)域干擾作用造成的損失較小，而空化尾部湍動(dòng)能下降明顯，因此，在此工況下，葉輪內(nèi)損失減小，泵性能得到提升。

圖17 葉輪中截面湍動(dòng)能分布Fig.17 Turbulent kinetic energy distribution of middle rortex structure

綜上所述，射流結(jié)構(gòu)能夠有效降低葉輪內(nèi)低壓區(qū)范圍，降低葉輪內(nèi)空泡體積分?jǐn)?shù)。這種變化與葉輪內(nèi)的流場(chǎng)變化有密不可分的關(guān)系。射流雖對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生了干擾作用，但能對(duì)葉輪內(nèi)的空化流場(chǎng)產(chǎn)生有效的抑制作用。綜合來看，射流結(jié)構(gòu)利大于弊，可投入到工程實(shí)踐中。

4 結(jié)論

1)當(dāng)離心泵葉輪內(nèi)空化狀態(tài)為弱空化狀態(tài)即空化余量為0.60 m和0.35 m時(shí)，H1和H2葉輪模型的空化抑制明顯；當(dāng)葉輪內(nèi)空化狀態(tài)發(fā)展到劇烈空化狀態(tài)即空化余量為0.20 m 時(shí)，H3 葉輪模型的抑制效果最明顯。

2)文丘里管式結(jié)構(gòu)可以減弱空化泡的尾部震蕩效應(yīng)，使得葉輪內(nèi)壓力脈動(dòng)明顯減弱；葉輪內(nèi)壓力脈動(dòng)主頻幅值變化規(guī)律與空化體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律基本一致。

3)射流對(duì)葉輪的空化產(chǎn)生有效抑制作用的主要原因在于射流改變了葉輪內(nèi)的流場(chǎng)分布，從而改變了葉輪的增加過程，進(jìn)而改變了液體的氣化過程。