離心泵空化誘導噪聲研究進展

司喬瑞，廖敏泉，邱 寧，梁 赟，袁建平，袁壽其

（1.江蘇大學流體機械及工程技術研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

0 引 言

離心泵被廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個部門，在國防、航天、能源、船舶和家用等流體輸送領域均扮演重要角色，其作用相當于人的心臟，是關系國計民生和國家安全的戰(zhàn)略裝備[1]。由于內部流動復雜，離心泵運行過程中常伴有強烈的噪聲，嚴重影響軍事裝備的隱秘性、機組運行的可靠性以及用戶的身心健康[2]。但以往對離心泵的設計多注重其效率、成本和壽命，而對產(chǎn)品的低振動低噪聲設計不夠重視。因此，隨著泵向高速化、大功率和高性能方向發(fā)展，降低離心泵產(chǎn)生的噪聲已成為亟待解決的實際問題。

隨著機械加工制造水平的逐漸提高，水力因素成為離心泵噪聲的主要激勵源。空化是一種包含相變過程的復雜流動現(xiàn)象，廣泛存在于泵的工程實際運行中，由于多相、非線性、多尺度、瞬態(tài)和隨機的特點，其流動機理至今仍未完全揭示，因此空化是水力機械領域重要的科學問題和當前關注的熱點[3]。離心泵發(fā)生空化后，空泡潰滅對結構壁面形成強烈沖擊，空泡體積變化引起流場壓力脈動并釋放聲能，空化云堵塞流道。空化所引起的空蝕、振動、噪聲和性能下降是制約離心泵發(fā)展的關鍵問題[4]?？栈肼曉诤＼娕炌ьI域和民用船舶領域均備受關注，例如螺旋槳空化是產(chǎn)生噪音、船體振動以及螺旋槳葉片和附件腐蝕的根本原因[5]。船舶的冷卻水系統(tǒng)、艙底壓載系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和日用水系統(tǒng)等都會用到各種離心泵設備[6]。離心泵空化誘導噪聲一方面沿管道液流傳播，成為系統(tǒng)可靠運行的隱患，另一方面通過流場與泵體或管路結構發(fā)生強耦合作用，產(chǎn)生固體噪聲向空氣中輻射，成為重要的噪聲污染源，因此對離心泵空化噪聲作用機理及其抑制進行研究具有重要的學術價值和工程意義。本文將對近年來國內外在空化機理、離心泵空化不穩(wěn)定流動特性、空化渦動-聲響應的內在關聯(lián)以及空化噪聲的抑制方法等四個方面的研究情況進行總結和分析，為低噪聲水力機械設計理論和主動控制提供借鑒。

1 離心泵空化水動力學實驗測量研究現(xiàn)狀

對空化的研究可以追溯到18 世紀中期，Euler 首次從理論上預言了液體的空化，一個世紀以來逐步建立起經(jīng)典的空泡動力學理論[7]。離心泵內部空化以葉片前緣型空化為主，一般發(fā)生在葉片進口邊。隨工況的變化由游離型發(fā)展為繞葉片的附著型，包含著與對流尺度一致的空泡脈動和脫落過程以及時間尺度較對流尺度高幾個數(shù)量級的空穴潰滅過程。非定?？栈鲃又猩鲜鰞煞N尺度現(xiàn)象的流動機理是近年來國內外關注的熱點問題，也一直是空化研究最重要的科學問題[8-9]。

由于空化現(xiàn)象的復雜性，實驗一直是推動空化流動研究的基本方法，研究人員多借助水洞對不同翼型空化流場的壓力、速度和蒸汽含量進行測量[3]。Kawanami等[10]在水翼表面布置了多個壓力傳感器來研究附著型空化的流動機理及其控制方法，準確測得了脫落的空化云誘發(fā)的壓力脈動特性并提出了著名的反向射流機制。Gopalan 等[11]采用數(shù)字粒子圖像測速（DPIV）測量了附著型空穴后部的流場速度，結合高速攝影實驗發(fā)現(xiàn)脫落的空泡團潰滅造成U 型空穴渦結構并影響流場的湍流運動特性。Coutier-delgosha 等[12]采用內窺鏡和X 射線結合的技術測試了片狀空化向云狀空化過渡狀態(tài)的兩相結構和含氣率。國內王國玉、黃彪等[13-14]利用其小型空化水洞對水翼空化進行了大量的實驗，認為附著型空化的準周期性生長、發(fā)展、脫落、潰滅等過程對渦量的輸運具有重要的影響，并搭建了同步測量系統(tǒng)對空穴演變與流體動力的相互作用進行研究。中國船舶科學研究中心、浙江大學和海軍工程大學等單位的研究團隊也在空泡潰滅機理、空化監(jiān)測方面取得了大量的成果。在葉片泵空化實驗研究方面，美國霍普金斯大學、日本EBARA綜合研究所、法國LML實驗室和意大利比薩大學等均搭建了相關專業(yè)研究裝置[15]。不同工況下離心泵進口葉片前緣空化不同狀態(tài)下的空泡形態(tài)已逐漸被研究者掌握（如圖1 所示），空化非定常誘導特性是當前測試的重點。Dular 等[16]利用PIV 及PLIF 技術對離心泵內部的空化流場進行了測量，獲得了葉片周圍瞬態(tài)、時均的速度場與蒸汽體積分數(shù)分布。Fu等[17]采用高速攝影和壓力脈動測量技術系統(tǒng)分析了離心泵小流量工況下空化誘導的低頻脈動特性。Bachert等[18]采用PIV 和高速攝影相結合的手段研究了離心泵隔舌處的云狀空化，解釋了大流量下泵性能惡化的原因。Schr?der 等[19]首次提出了將數(shù)值方法與PIV 相結合的方法對平板尾緣的氣動噪聲進行預測。王勇等[20]研究了離心泵葉輪進口空化，初步獲得了葉輪內空泡分布與泵振動噪聲特性間的關系。采用熱線熱膜測試法（HWFA）、激光多普勒測試法（LDV）、相位多普勒粒子法（PDPA）和聲學多普勒測試法（ADV）等方法可對流場速度進行測量[21]，然后求解N-S 方程可計算出離心泵噪聲[22]。另外，隨著試驗測量手段及測試技術的不斷發(fā)展，多場同步測量技術也被廣泛應用于空化非定常流動的研究中，筆者認為搭建如圖2 所示的離心泵多場同步測試實驗臺并開發(fā)多場同步測量平臺可對噪聲、壓力和速度等瞬態(tài)物理量進行同步測量，進而可全面分析不同空化條件下離心泵的噪聲特性和聲學表征參數(shù)以及空化噪聲在不同空間尺度與時間尺度上表現(xiàn)出來的動態(tài)行為。

圖1 不同工況下離心泵葉片前緣空化形態(tài)Fig.1 Cavitation pattern of blade leading edge of centrifugal pump under different working conditions

圖2 離心泵多場同步測量實驗臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-field synchronous measurement test bed for centrifugal pump

2 離心泵空化水動力學數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

盡管空化實驗研究已經(jīng)取得了巨大的成果，但由于泵結構復雜，在測量全流道速度場、反射流形成的渦旋結構及其對流場的影響機制方面仍存在一定的困難。近年來隨著計算機性能不斷提升，數(shù)值模擬方法被廣泛應用于離心泵空化數(shù)值模擬，數(shù)值計算技術的發(fā)展以及數(shù)值模擬的優(yōu)點在某種程度上對實驗的缺陷進行了較好的補充。

空化流動計算涉及到空化模型和湍流模型，前者表達了質量傳輸過程，后者表達了動量傳輸過程。研究空化問題的關鍵是準確描述這兩個傳輸過程，目前基于N-S 方程和質量輸運方程的空化模型是空化流動數(shù)值計算的主流，以Schnerr-Sauer、Singhal和Zwart等空化模型為代表，使用最為廣泛[3]。Singhal等[23]提出的完全空化模型不僅考慮了兩相流氣泡動力學、相變率對空化的影響，也考慮了湍流脈動、不可凝結氣體、液體表面張力等的作用，對空化研究起到較大的推動作用。為了能更好地反映空化的微觀行為，Hsiao 等[24]提出了一種基于歐拉-拉格朗日耦合方法的多尺度空化模型，不需要對相間的質量輸運進行任何假設，轉而對自由空化核和固壁空化核進行模化處理。洪峰[25]基于液相、空泡相、不可凝結氣體的三種組分的連續(xù)性方程以及均相流假設構建了一種非線性空化模型，并對軸流泵內的空化流動進行了計算。鑒于不可壓縮流動空化模型存在的缺陷，Gnanaskandan 和Mahesh[26]發(fā)展了一套考慮氣液混合物可壓縮性的空化模型，并給出了不同組分含量混合物的聲速表達式，較好地捕捉到了空化可壓縮引起的激波現(xiàn)象。在湍流模型研究方面，錢忠東等[27]采用Singhal提出的空化模型，比較了標準k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型和代數(shù)應力模型對空化流動模擬的影響。Bensow 和Bark[28]提出了一種隱式LES亞格子模型，成功捕捉到了螺旋槳空化流動的諸多現(xiàn)象，認為基于該模型可以對空蝕、噪聲等進行數(shù)值評估。Ji等[29]采用大渦模擬對扭曲三維翼型的空化繞流問題進行研究，通過分析渦團傳輸方程揭示了空化流與渦團的相互作用關系。王福軍[30]探索了針對不同求解目標引用不同湍流模型的有效途徑和方法，認為各類尺度解析模擬模型（類似于SAS和DES的組合模型）既能夠捕捉細小的湍流渦，又具有較高的計算效率。Wang 等[31]建立了一種考慮旋轉效應、大曲率結構特征和液體可壓縮的RZGB 空化模型，對離心泵內的空化流場進行了研究。但以上模型涉及蒸發(fā)和凝結源項的經(jīng)驗系數(shù)，對物理問題具有一定的依賴性。Senocak 等[32]提出的基于界面追蹤思想的空泡界面動力學模型從理論上消除了經(jīng)驗系數(shù)對空化模型的影響，對空穴交界面的預測較準，在泵空化預測方面潛力很大。空化模型與湍流模型的的修正對離心泵非定?？栈鲃訑?shù)值模擬結果的準確性起著至關重要的作用。

3 離心泵空化流動的聲響應特性研究現(xiàn)狀

聲音是伴隨空化發(fā)生的一種重要物理現(xiàn)象，空泡的初生、發(fā)育和潰滅等過程都會生成噪聲。一方面，空化噪聲惡化工作環(huán)境、影響艦船隱蔽性；另一方面，由于準確度高、使用便利，工程上也常用空化的聲響應特性如借助傳聲器進行空化發(fā)展狀態(tài)判斷或進行空化機理研究。Reisman 等[33]研究了云狀空化的動力學特性和聲學特性，認為空化云破裂形成的沖擊波是決定噪聲和材料破壞的關鍵因素。Callenaere 等[34]研究了振蕩水翼表面空化云的形成及破裂時所包含的復雜流動形式，認為其比非振蕩流動產(chǎn)生更強的噪聲和破壞，空化強度可以由噪聲的強度來量化。

對空化噪聲的理論研究基本都建立在單空泡潰滅動力學基礎上，F(xiàn)itzpatrick 和Strasberg[35]是最早基于Rayleigh 方程建立空化噪聲模型的研究者，通過建立空泡體積變化和噪聲間的關系，發(fā)現(xiàn)空化噪聲譜密度函數(shù)正比于頻率的四次方。單一游移空泡會產(chǎn)生包含多個脈沖和峰值的聲信號，當空泡數(shù)量足夠多時，空化噪聲會受到泡與泡之間相互作用的影響，此時的空化噪聲為空泡云所輻射的噪聲。黃景泉等[36]認為空化噪聲的強度取決于空泡產(chǎn)生的數(shù)量和空泡潰滅速度這兩個因素。Chudin[37]認為噪聲譜結構可以用來診斷離心泵空化初生，尤其是觀測1/2 葉片通過頻率處的聲壓級大小，泵噪聲級隨NPSHa 減小先增大，達到極值后再減小。司喬瑞等[38]也實驗觀察到此現(xiàn)象并研究了不同葉輪隔舌間隙對離心泵空化性能的影響，發(fā)現(xiàn)流動噪聲聲壓級隨著空化系數(shù)的減小而逐漸增大（圖3），減弱的動靜干涉作用有助于減小空化噪聲。

圖3 模型泵噪聲聲壓級隨NPSHa變化[38]Fig.3 Noise level of model pump variying with NPSHa[38]

隨著計算機科學的飛速發(fā)展，信號處理技術的引入推動了空化誘導特性的分析。在非平穩(wěn)信號處理方面，近年來發(fā)展了不少有效方法，如Huang等[39]提出了經(jīng)驗模態(tài)分解（EMD）方法，并分析了Hil?bert-Huang變化（HHT）基本依據(jù)，為信號處理開辟了新的途徑。蒲中奇等[40]提出了一種基于小波奇異性理論的空化監(jiān)測方法，觀測了額定工況下水輪機轉輪內的渦帶形態(tài)和空化發(fā)展情況。劉承江等[41]利用噪聲信號和最小二乘支持向量分類機進行噴水推進器空化監(jiān)測。Georgios 等[42]發(fā)展了基于聲發(fā)射技術和振動加速度分析的空化監(jiān)測方法，研究了離心泵不同葉輪幾何參數(shù)對空化狀態(tài)的影響。Sun等[43]采用循環(huán)譜分析方法，對離心泵空化條件下的電機非平穩(wěn)電流信號提取頻率特征分量，作為故障的表征指標，對聲響應分析具有較好的借鑒?？栈臋z測對泵的運行和穩(wěn)定性尤為重要，Dong等提出了基于小波包分解（WPD）與主成分分析（PCA）和徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡相結合的方法[44]和基于流體噪聲診斷[45]的兩種離心泵初生空化檢測方法。?udina 和Prezelj[46-47]在研究中發(fā)現(xiàn)噪聲頻譜中的147 Hz特定頻率與泵的空化現(xiàn)象有關，并且比傳統(tǒng)的揚程下降3%判定方法更準確。空化噪聲信號的提取仍是空化初生判斷的重點。

4 離心泵流動誘導噪聲激勵機制的研究現(xiàn)狀

按照發(fā)聲機理，離心泵空化誘導噪聲是一種包含復雜相變的流致噪聲問題，主要由非定常流動引起，包括運動流體與固體邊界的耦合、流體間的相互干涉以及流體內部的不穩(wěn)定流動等。流動中的小擾動可依據(jù)特征值分解為聲波、渦波和熵波，前者以聲速傳播，后兩者以背景流動平均速度傳播。自從20世紀50年代Lighthill做出開創(chuàng)性工作以來，聲比擬思想一直是學者們研究流體發(fā)聲機理的主流，即在非穩(wěn)態(tài)流場中用一系列分布式的等效聲源（單極子、偶極子、四極子三類）來代替這些非均勻性對聲音傳播的影響[48]。與此同時，噪聲測量與數(shù)值模擬技術也快速發(fā)展并在泵流動誘導噪聲研究方面得以應用和推廣。在葉片泵非空化原因引起的噪聲研究中，Chu 等[49]提出了一種利用粒子位移測速（PDV）獲得離心泵內部流場壓力分布的方法，結合聲場測量，認為葉輪出口的不均勻流動以及葉片和隔舌間的動靜干涉作用是引起泵遠場噪聲的主要原因。Jiang 等[50]采用一種考慮流體-結構聲學耦合作用的數(shù)值模擬方法預測了某多級離心泵蝸殼的受迫振動和輻射噪聲，并解決了流體和結構網(wǎng)格間的匹配交換問題。國內對葉片泵流動誘導噪聲的研究起步較晚，工作開展得較多的主要有江蘇大學、浙江大學、哈爾濱工程大學、海軍工程大學以及船舶和航天技術領域的研究院所等。司喬瑞[51]采用無源四端網(wǎng)絡法實驗測量了離心泵不同運行工況的聲源特性，基于Lighthill 聲比擬理論建立了CFD/CA流動誘導噪聲數(shù)值預測方法并對某離心葉輪進行了聲優(yōu)化。林剛[52]進一步完善了相關計算方法并將其拓展至多級離心泵輻射噪聲計算。Gao等[53]對湍流模型進行了深入研究，采用LES流場模擬方法對多工況下離心泵的流動誘導噪聲進行了準確預測。余昊謙等[54]利用基于CFX 和LMS Virtual Lab 軟件的聲學邊界元相結合的方法，研究了漩渦自吸泵內部壓力脈動和產(chǎn)生的噪聲，并利用渦輪葉片尾緣的鋸齒結構對葉片進行優(yōu)化。研究者也從渦的角度對流場進行了大量研究，Powell[55]將渦量引入Light?hill方程，并進一步研究了渦運動和聲產(chǎn)生之間的聯(lián)系，提出了渦聲理論。而后，Howe[56]在Powell方程的基礎上，考慮了熵變化和平均流對流動發(fā)聲的影響，使渦聲理論得到重大發(fā)展，進一步揭示了流動發(fā)聲的機制，運用渦聲理論來分析離心泵的噪聲問題成為一種更加有效可行的方法。無空化條件下葉片泵流動誘導噪聲的理論、實驗測試和數(shù)值求解方法均已取得了長足的發(fā)展，受迫湍流多重尺度渦的生成、發(fā)展、干涉和分裂等演化過程中流動-聲能量的轉換和激勵機制是當前研究的熱點。

由于空化產(chǎn)生的空泡在體積上存在脈動，因而可視作輻射能力最強的單極子聲源。Wu等[57]采用SSTk-ω湍流模型和Zwart 空化模型對船用螺旋槳流場進行了數(shù)值模擬，并基于聲比擬理論對空化流場內槳葉表面壓力脈動和空泡脈動兩種聲源進行了聲傳播計算，但與實驗測試仍存在一定的誤差。付建等[58]基于點源模型計算了螺旋槳空化噪聲，計算模型與Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）方程計算結果基本吻合，說明點源模型計算螺旋槳在自由場條件下的空化噪聲是適用的。基于聲比擬理論，采用LES湍流模式與FW-H 聲學模型組合能夠一定程度上模擬流場及噪聲輻射，但存在流場、聲場信息獲取不全、聲場和流場物理耦合作用機理解釋不清和計算精度不高等缺點。可壓縮N-S 方程描述了所有空化水動力聲學現(xiàn)象：水動力噪聲產(chǎn)生、水動力場和聲脈動場間的相互作用以及聲波傳播。不同于計算流場平均量的常規(guī)CFD 方法，空化噪聲數(shù)值預報面臨噪聲頻帶寬、水動力/聲能量不對等和多尺度等問題。戚定滿[59]認為空泡噪聲是一個非線性動邊界的聲輻射問題，提出了一種體現(xiàn)聲音傳播延遲效應和液體壓縮性對聲壓峰值影響的混合邊界元法對空泡潰滅過程輻射的噪聲進行了計算。Mao等[60]引入了一種可同時描述流體物理狀態(tài)及其在界面上非連續(xù)特性的廣義函數(shù)，揭示了界面張力和密度差對聲產(chǎn)生、傳播的影響，解釋了水下存在氣泡時噪聲明顯增強的原因。李環(huán)等[61]介紹了能考慮多場耦合效應的聲邊界條件法及其在水動力噪聲方面的應用。筆者認為有效的離心泵空化噪聲預測流程如圖4所示，采用聲學邊界法將整個流場劃分為如圖4（a）所示的聲近場和聲遠場兩部分：聲近場包括聲源區(qū)域，即流場區(qū)域，描述聲的非線性產(chǎn)生過程，包括聲與流動的相互作用（聲的散射、輸運、衰減等）過程以及流動與結構的相互作用；另一部分為描述聲傳播過程的聲遠場。計算時，結合開發(fā)的空化模型和LES方法進行流場求解，然后將流場計算的聲源信息映射到葉輪的進出口作為面聲源，最后將脈動流場和映射的面聲源一起基于聲邊界條件法進行流-固-聲多場耦合的聲傳播計算，流程如圖4（c）所示。

圖4 離心泵空化噪聲預測流程圖Fig.4 Flow chart of centrifugal pump cavitation noise prediction

5 離心泵空化誘導噪聲抑制的研究現(xiàn)狀

長期以來，國內外研究人員對空化噪聲抑制的研究從未中斷，研究人員借助數(shù)值模擬和實驗的手段在水力機械空化噪聲抑制方面做了深入研究，并且取得了一定的研究成果，目前通常采用被動控制和主動控制的方法來抑制和延緩空化的發(fā)生，以及進行仿生設計從而達到降低空化噪聲的效果。鑒于離心泵等水力機械的幾何外形及內部流場相對復雜，直接研究其內部空化的演變規(guī)律及抑制空化的方法存在一定的難度，因此研究人員對幾何外形相對簡單的水翼進行空化特性的研究，可以為離心泵等水力機械抑制空化技術提供思路和有價值的參考。對于水翼而言，目前抑制其發(fā)生空化的方法主要有：在水翼表面布置射流水孔[62]，在水翼吸力面設置凹槽[63]，在水翼表面施加粗糙帶[64]，在水翼表面布置障礙物[65]以及在水翼表面布置氣泡發(fā)生器[66]，這些方法均可有效抑制和延緩空化的發(fā)生進而起到降噪的效果。Yu 等[67]采用改進的湍流模型和Zwart 空化模型對水翼周圍的空化演化及其誘導噪聲進行了數(shù)值計算，為控制空化噪聲提供了理論依據(jù)。王桂鵬[68]基于仿生學原理，通過在水翼吸力面布置仿生魚類尾鰭鰭棘結構優(yōu)化流場結構，對空化起到了抑制作用。陳柳等[69]提出將座頭鯨鰭肢前緣凸結結構引入葉片設計，以水翼為研究對象，針對凸結對葉片空化的控制機理展開研究，結果表明該類結構對水翼空化的控制具有一定的效果。

對于泵而言，趙偉國等[70-72]提出在離心泵葉片壓力面開槽、在葉片工作面布置障礙物、在后蓋板布置粗糙帶等方法，為離心泵內部空化控制和優(yōu)化設計提供了參考。陳紅勛等[73]提出了縫隙引流葉輪，使抗空化性能相對于傳統(tǒng)離心泵大幅提升。Guo 等[74]通過觀察氣泡的發(fā)生、發(fā)展和潰滅過程，清晰地闡明了帶有分流葉片誘導輪的高速離心泵的氣泡產(chǎn)生機理和抗空化性能。Yoshida 等[75]通過對四葉片誘導輪進行可視化試驗，發(fā)現(xiàn)通過應用交替的葉片前緣后縮可抑制旋轉空化的發(fā)生。牟介剛等[76]通過使用長短交錯葉片改變進口流態(tài)，抑制了離心泵內部空化的發(fā)生。羅先武等[77]通過優(yōu)化葉輪進口幾何參數(shù)，使葉輪進口流動均勻化，明顯改善了離心泵的空化性能。Guo 等[78]研究了進口導葉對軸流泵空化性能的影響，認為正導葉角可以改善空化性能，而負導葉角則阻礙了空化性能的提高。王洋等[79]研究了低比速離心泵葉片進口開縫的影響，發(fā)現(xiàn)選擇合理的開縫寬度和角度不但可以提高泵的效率，而且可以提高其空化性能。一些特殊結構的泵和葉片形式也具有良好的抗空化性能，如圖5 所示的圓盤泵由于具有良好的抗空化性能，在航空航天小流量泵應用領域具有一定優(yōu)勢[80]。國內外也一直致力于研制超空化翼型，且試驗表明，在空化狀況下，超空化泵的性能明顯優(yōu)于普通水泵[81]。

圖5 圓盤泵結構示意圖Fig.5 Diagram of disc pump structure

6 總結與展望

本文從五個方面綜述了空化噪聲的研究進展，認為離心泵空化噪聲的實驗測量、離心泵空化水動力學數(shù)值模擬、空化誘導噪聲特性和噪聲激勵機制以及噪聲抑制的研究仍存在以下問題需要解決：

（1）離心泵發(fā)生空化后噪聲級大幅上升且呈現(xiàn)出明顯的寬頻特性，但流場、結構場和聲場之間的能量轉換機制仍未明晰，多場同步測量技術在離心泵空化研究方面的應用仍有待拓展。若要全面分析不同時間與空間尺度上表現(xiàn)出的動態(tài)行為，需要構建多場同步測量實驗平臺，并結合新型可視化技術和現(xiàn)代信號處理技術來進行研究。此外，X 射線密度測量系統(tǒng)可以清晰地辨識空化內部流動結構，因此測定空化流場中蒸氣的分布對揭示離心泵內部空化流場結構具有重要意義，可以進一步促進人們對離心泵空化流動機理的認識。

（2）空化模型和湍流模型對空化數(shù)值計算至關重要，國內外研究者已在翼型繞流空化研究的基礎上對葉片泵空化進行了長期的研究，但仍缺乏對非定?？栈鲃又袃煞N尺度現(xiàn)象的綜合分析，旋轉對附著型空化特性的影響還未明晰，空化條件下離心泵內受迫湍流的多重尺度渦結構的時空演化特征仍未揭示，空化與漩渦之間的交互作用機理仍不明確，同時離心泵內部空化行為存在多尺度性、可壓縮性以及群泡效應等特性，這些將是今后離心泵空化流動研究的熱點與難點問題。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，開發(fā)考慮非線性水動力學問題的空化模型和LES 方法是當前離心泵空化研究中需要解決的重要科學問題。

（3）空化條件下離心泵內部噪聲的產(chǎn)生機理、聲場的時空分布特性及演變規(guī)律和噪聲傳播機制等問題尚未解決，掌握空化初生和不同空化發(fā)展階段的聲學特性對研究離心泵空化機理和空化噪聲激勵機制至關重要。但由于泵內空化流場的流動結構復雜，建立空化渦動-聲響應的映射關系的干擾因素較多，亟需結合數(shù)值模擬結果引入新的信號處理方法來解決傳統(tǒng)聲信號分析的不足。同時，空化噪聲特性歸納方面也亟需引入新的信號處理方法來解決多脈沖、多峰-值及多干擾等問題?？乖胄阅芰己玫难h(huán)平穩(wěn)分析方法和基于EMD 方法的聲信號去噪處理技術在非平穩(wěn)和非線性的空化噪聲研究中潛力巨大。此外，綜合考察流-固-聲耦合作用的聲邊界條件法是目前計算流動誘導噪聲最全面的方法，能滿足空化噪聲預測的需求。由于當前對離心泵空化噪聲的數(shù)值模擬研究鮮有報道，因此我們可以借鑒螺旋槳空化噪聲數(shù)值模擬研究方法，為離心泵空化噪聲的數(shù)值模擬研究提供指導。

（4）通過合理的葉片結構設計或采取被動措施能有效地抑制某工況下的空化噪聲，但對其流動控制機理及對空化發(fā)生的機制和演變過程仍缺乏深入的研究。仿生技術、超空化泵以及圓盤泵等的研究和開發(fā)是降低或避免空化噪聲產(chǎn)生的新途徑。