研究泵内空化现象及其影响

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：Luo等［83］对离心泵空化流动进行试验和数值模拟研究，分析了进口边位置对离心泵空化性能的影响，验证了适当延伸叶轮叶片的进口位置及加大叶片进口安放角能改善泵空化性能。Lu等［100］对离心泵空化诱导的振动和非稳定流动特性进行了数值模拟和试验研究。泵内空化数值模拟研究，目前已成为泵空化研究方法的重要手段之一。

泵内空化研究主要包括以下三个方面：

首先，随着可视化技术和高速摄像技术的发展和应用，实现了泵可视化试验，观测和捕捉泵内空化的发生位置及结构形态，研究其内部流动规律。Friedrichs和Kosyna［75］测量了离心泵叶轮内压力，同时利用数码相机和频闪光源观测了旋转空化，分析了空化数、叶片进口安放角、旋转空化与叶栅稠密度、叶片安放角之间的关系，结果发现离心泵发生旋转空化时，小流量工况下扬程曲线下降比较缓慢，大流量工况下扬程曲线下降比较陡。Coutier-Delgosha等［76］对离心泵叶轮内的空化形态和空化区的分布进行了试验测量和数值模拟研究，试验测量利用频闪光源和高速摄像观测了叶轮内空化结构形态；同时，采用正压流体状态方程，计算了泵内空化流动，获得的泵扬程下降曲线及空穴结构与试验结果较吻合。Bachert等［77］采用可视化PIV技术，对离心泵蜗舌上出现的空化形态进行了试验测量，结果发现在压水室喉部出现的空化形态与绕单个翼型的空化形态类似。王勇等［78］对离心泵叶轮进口处的空化形态进行可视化试验，成功捕捉到了不同工况下空化的初生位置和发展状态。Lin等［79］通过高速摄像机观测了离心式血液泵内的空化流动，指出了离心式血液泵内空化的发生部位和发展过程不同于常规离心泵。Zhang等［80］通过试验测量，对空化空泡和颗粒之间的微观相互作用进行了研究。

其次，利用能量法，采用外部途径的测量确定泵性能曲线，研究泵能量特性和空化性能，提出改善泵空化性能的措施等。曹广军等［81］通过离心油泵输送黏性流体时空化性能的试验研究，指出了在相同的流量工况下输送黏性流体比输送清水具有较高的临界空蚀余量。吴大转等［82］对不同运行工况下离心泵启动瞬态水力特性进行了试验研究，结果表明在低入口压力和高转速条件下快速启动中空化是不可避免的，加速过程对空化的产生具有一定的抑制作用。Luo等［83］对离心泵空化流动进行试验和数值模拟研究，分析了进口边位置对离心泵空化性能的影响，验证了适当延伸叶轮叶片的进口位置及加大叶片进口安放角能改善泵空化性能。崔宝玲等［84］通过试验研究了带诱导轮离心泵的空化特性，比较分析了无诱导轮、单个诱导轮和串联诱导轮3种情况下离心泵的空化性能，发现采用串联诱导轮可以显著提高泵空化性能。

最后，通过试验测量获得泵水声信号、振动信号、压力信号等，研究泵压力脉动、振动和噪声特性与空化状态之间的相关性。由于空化噪声级和振动加速度（或振动幅）对空化的初生及其发展程度的反应灵敏度高于能量特性，所以近年来对泵振动和噪声特性的试验研究越来越受到关注。Alfayez等［85］采用AE（Acoustic Emission）技术对离心泵进行了试验研究，指出通过AE技术可以预测空化初生。黄忠富等［86］利用加速度传感器测量了离心泵振动信号，并结合小波分析方法，检测出了离心泵初生空化。倪永燕等［87］采用压力传感器测量离心泵进/出口压力，指出了通过出口压力波动可以监测离心泵空化的初生以及发展程度。Cernetic［88］利用加速度传感器和麦克风测量离心泵的振动噪声信号，监测了离心泵的初生空化。苏永生等［89-92］通过压力传感器、加速度传感器和水听器测量了离心泵的压力信号及振动噪声信号，有效识别了空化初生，并发现空化工况时泵出口压力脉动的转轴频率幅值增大，出现很多低频压力脉动成分以及水声信号对空化发展的敏感性远远大于壳体振动信号。Duplaa等［93］对离心泵快速启动时空化流场进行了试验研究，在大流量工况下获得了大规模的低频振动压力信号，而在小流量工况下只有泵启动结束时检测到了扬程的下降和水锤现象。高波等［94］利用加速度传感器测取了离心泵低频振动信号，结果显示，叶片通过频率下振动加速度幅值变化规律与空化发展程度相应。王勇等［95］测量了离心泵在不同流量下的振动信号和噪声信号，测量结果表明，通过振动加速度和声压级随空化余量的变化规律可以判断泵空化的初生。Yao等［96］试验研究了双吸式离心泵内空化诱导的压力脉动，结果显示，叶轮旋转频率和特殊低频率的压力脉动幅值随着空化的发展先增加后减少。李忠等［97］利用LMS多通道振动噪声测试与动力学分析系统对轴流泵空化流动进行测量，揭示了轴流泵振动特性与空化性能之间的相应关系。Li等［98］通过离心泵的试验研究，提出了根据初生空化的有效空化余量测量叶轮表面耐磨性的一种方法。Gao等［99］对低比转速离心泵空化诱导振动特性进行了试验研究，主要分析了低频带（10～500Hz）振动能量。Lu等［100］对离心泵空化诱导的振动和非稳定流动特性进行了数值模拟和试验研究。

泵内空化数值模拟研究，目前已成为泵空化研究方法的重要手段之一。Medvitz等［101］利用Kunz空化模型和标准k-ϵ湍流模型，对全工况范围下离心泵的空化特性进行了计算，在非设计工况下取得的结果与试验结果较接近。甘加业等［102］基于标准k-ϵ湍流模型和完全空化模型，对混流泵内的空化流动进行了数值计算，准确预测了泵扬程变化曲线和空化发展过程。Ding等［103］采用完全空化模型和标准k-ϵ湍流模型计算了泵空化流场，计算中考虑了液体可压缩性的影响、非凝结性气体质量分数的不均匀性以及气体含量与压力之间的关系，获得的空化结构形态和临界空化余量值较吻合试验结果。罗先武等［104］对微型泵半开式离心叶轮内的空化特性进行了试验研究，同时基于VOF空化模型和标准k-ϵ湍流模型进行了数值计算，研究结果表明，微型泵的空化性能基本与常规尺寸离心泵一致；微型泵的空化性能随着叶尖轴向间隙的增大而下降；配置倾斜叶片的半开式叶轮，能提高微型泵的水力性能和空化性能。Pouffary等［105］基于正压流体状态方程模型和标准k-ϵ湍流模型，成功模拟了离心泵叶轮内的空化结构形态和泵扬程下降特性。施卫东等［106，107］通过Zwart-Gerber-Belamri空化模型分别结合k-ω湍流模型和RNG k-ϵ湍流模型，模拟了轴流泵和离心泵内空化流动，较好地揭示了轴流泵叶轮内的空化流场特性；离心泵非定常数值模拟结果显示，泵流道内每个空泡的长大率和溃灭率决定了空穴体积；泵内主要压力脉动是由叶轮和蜗壳的动静干涉引起的，其幅值随着空化的发展而增加。Liu等［108］利用尾流封闭空化模型和Baldwin-Lomax湍流模型成功预测了空化系数对离心泵叶轮内附着型空化的影响。王勇等［109］基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型和标准k-ϵ湍流模型，模拟了不同工况下离心泵内部的空化流动，探讨了叶轮内空泡分布和叶片载荷分布，指出了空化对叶片载荷的影响较大。Zhang和Chen［110］采用质量输运空化模型和FBM模型，计算了斜式轴流泵内的空化流动，成功预测了不同进口压力下泵内空化形态，并指出了泵性能的下降与空泡的脱落有关。刘宜等［111］利用完全空化模型和标准k-ϵ模型，探讨了离心泵进口几何参数对离心泵空化性能的影响，指出通过选择合适的叶轮进口直径可以改善泵空化性能。Li等［112］采用完全空化模型和标准k-ϵ湍流模型，对双吸式离心泵叶轮内空化的发生、发展程度以及发生部位进行了分析。曹卫东等［113］采用基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型和标准k-ϵ湍流模型，对径向回流、传统轴向回流以及无平衡孔结构的低比转速离心泵内空化流动进行了数值模拟，结果表明，径向回流平衡结构孔的离心泵抗空化性能最好。Sato等［114］利用输运方程空化模型和SST k-ω湍流模型，成功模拟了双吸式离心泵流道内旋涡空化的初生位置、发展以及空泡团溃灭产生的压力脉动。李晓俊等［115，116］应用基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型和RNG k-ϵ湍流模型，对带诱导轮离心泵内的空化流动进行了数值计算，从流道内空泡分布和压力分布的角度探讨了泵扬程下降规律；从流道内空泡分布和叶片载荷分布的角度探讨了泵效率下降规律。庄保堂等［117］应用完全空化模型和标准k-ϵ模型，计算了泵内空化流动，指出了安装诱导轮能提高泵抗空化性能以及泵内严重空化区因流量不同而发生位置不同。肖若富等［118］采用基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型和SST k-ω湍流模型，对常规叶轮和复合叶轮的双吸式离心泵内空化流动进行了数值计算，结果表明复合叶轮能够显著改善泵空化性能，而且在大流量工况下效果更为明显。杨敏官等［119，120］利用完全空化模型和标准k-ϵ湍流模型，分别计算了轴流泵和离心泵流道内的空化流动，较好地揭示了轴流泵叶轮内空化流场的静态特征；离心泵流道内非定常计算结果表明，泵流道内压力脉动幅值随着叶轮内空化的发展逐渐增大，并在叶片通过频率下较大。Thai和Lee［121］应用Kunz模型，模拟了具有复合叶轮的离心泵内空化流动，指出配置短叶片可以提高泵空化性能。王秀礼等［122，123］采用RNG k-ϵ湍流模型分别耦合基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型和完全空化模型，研究了不同工况下离心泵内的空化流动，研究结果表明，由空化引起的液体边界层分离产生的旋涡损失也是泵扬程曲线下降主要原因之一；蜗壳内压力脉动幅值的最大值在蜗舌处，沿叶轮旋转方向逐渐减小。朱荣生等［124］通过两相流混合模型和RNG k-ϵ湍流模型，分析了离心泵内空化流动。刘厚林等［125］对Zwart-Gerber-Belamri模型、Kunz模型和Schnerr-Sauer模型在离心泵空化流模拟中的适用性进行了比较，指出了3种模型均能正确地预测泵扬程下降特性，小流量和设计流量工况时Kunz模型预测精度较高，而在大流量工况时Zwart-Gerber-Belamri模型的预测精度更高。Li等［126］基于质量输运空化模型和SST k-ω湍流模型，对离心泵流道内的空化流动进行了定常和非定常计算，结果证明，空化诱导的旋涡是泵扬程下降的主要原因；在叶片通过频率下压力脉动的幅值随着泵进口压力的降低而增加。常书平和王永生［127］应用基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型和SST k-ω湍流模型，对混流泵内部空化流动进行了数值模拟，分析了叶轮内空泡分布，结果发现轮缘处空泡面积大于轮毂处，轮毂处空泡集中在叶根翼型尾部，空泡体积分数明显高于轮缘。杨孙圣等［128］采用基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型和RNG k-ϵ湍流模型，分析了离心泵叶轮内空泡分布规律，比较了试验测量和数值计算的临界空化余量值。

国内许多学者对泵空化数值计算模型进行了修正，并获得了较好的效果。李军等［129-131］基于液相/气相界面跟踪方法发展了一种空化模型，验证了该模型的可靠性，并耦合RANS方程求解技术，计算了离心泵内空化流动，分析了空化数和附着型空化结构形态的关系以及空化数对水力性能的影响。谭磊等考虑空泡流可压缩性的影响，分别引入密度函数和滤波器函数，修正了RNG k-ϵ湍流模型，并对离心泵空化流动进行了数值模拟，试验结果的对比证明，此数值计算模型和方法具有较高的准确性［132，133］；另外，基于密度修正的RNG k-ϵ湍流模型分别结合完全空化模型和质量输运空化模型，研究了前置导叶对离心泵空化性能的影响，结果发现安装前置导叶对泵空化性能的影响不太大［134，135］；此后，基于密度修正的RNG k-ϵ湍流模型和修正Zwart-Gerber-Belamri空化模型，计算了非设计工况下离心泵非定常空化流动，结果证明，空化时的压力脉动最大幅值大于非空化时；小流量工况下空化对泵内流场的影响大于大流量工况［136］。王松林等［137，138］采用修正质量输运空化模型和修正RNG k-ϵ湍流模型，对离心泵内部非空化和空化时的非定常流动进行了数值模拟，结果表明，叶轮内压力脉动主频为叶轮转频；蜗壳内压力脉动主频为叶片通过频率及其谐频。Liu等［139］应用修正质量输运空化模型和FBM模型，研究了离心泵内空化流动，成功捕捉到了叶轮进口处的空泡形态。张德胜等［140］基于改进的空化模型和SST k-ω湍流模型，分析了轴流泵流道内的空泡分布和压力脉动。

研究泵内空化现象及其影响

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