早期的空化现象试验研究集中在空化区结构与形态的观测。图1.4不同阶段的空化形态［11］片状空化；云状空化；超空化随着工程实际的需要和试验测量技术的发展，空化流动试验研究由定常阶段转向了非定常阶段。Stutz和Reboud［16，17］对云状空化的两相流结构进行试验研究，获得了沿空泡长度方向空泡体积分数随时间的变化。Leroux［19］和Ji［20］等进行的绕水翼空化流动的试验研究结果也进一步证明了反向射流是空泡脱落非稳定性的主要影响因素。......
2025-09-29
叶轮内空化流动中空泡脱落的机理研究
【摘要】：为了进一步研究离心泵叶轮流道内空泡脱落的机理，将选取小流量下NPSHa=1.2m和设计流量下NPSHa=2.0m的非定常空化流动数值计算结果，对叶轮I号流道内的速度矢量分布进行分析。由此可推断，空泡末端周围旋涡引起的反向射流是导致叶片吸力面附近局部压力升高，进而产生断裂及空泡脱落的主要原因。在空泡的脱落过程中，流道内旋涡的影响范围和涡心位置随着时间发生变化。所以，叶轮流道内流动非稳定性也是引起空泡脱落的重要原因。
为了进一步研究离心泵叶轮流道内空泡脱落的机理，将选取小流量下NPSHa=1.2m和设计流量下NPSHa=2.0m的非定常空化流动数值计算结果，对叶轮I号流道内（对应黄色叶片吸力面）的速度矢量分布进行分析。两种工况下叶轮流道内空泡具有清晰的脱落过程，并且小流量下NPSHa=1.2m时叶轮流道内有旋涡区（可见图3.5），而设计流量下NPSHa=2.0m时叶轮流道内流线分布较均匀，无旋涡区（可见图3.9）。
图3.11和图3.12分别列出了小流量下NPSHa=1.2m和设计流量下NPSHa=2.0m时，一个叶轮旋转周期内的几个典型时刻，离心泵叶轮I号流道内（对应白色叶片吸力面）空泡形态和速度矢量分布的局部放大图。
图3.11 NPSHa=1.2m时叶轮流道内空泡形态和局部速度矢量分布（0.8Qd）（见彩插）
（a）t=104Δt
图3.11 NPSHa=1.2m时叶轮流道内空泡形态和局部速度矢量分布（0.8Qd）（续）（见彩插）(https://www.chuimin.cn)
（b）t=128Δt；（c）t=152Δt；（d）t=176Δt
由图3.11可知，叶轮流道内前端附着在叶片吸力面上空泡的末端约在叶片长度4/5处，空泡末端周围形成一个旋涡区，因旋涡区的存在，空泡末端靠叶片吸力面附近的流速与主流速度方向相反，这一现象称为反向射流，正是由于空泡表面受到了反向射流的冲击作用，空泡中部靠吸力面一侧出现裂痕［与图3.5（d）相比］，如图3.11（a）所示。当t=128Δt时空泡断裂，如图3.11（b）所示。由此可推断，空泡末端周围旋涡引起的反向射流是导致叶片吸力面附近局部压力升高，进而产生断裂及空泡脱落的主要原因。断裂后脱落的空泡在主流的作用下不断向叶轮出口处移动，空泡体积逐渐缩小而溃灭，空泡前端向叶轮出口处延伸发展，如图3.11（c）和图3.11（d）所示。在空泡的脱落过程中，流道内旋涡的影响范围和涡心位置随着时间发生变化。
图3.12 NPSHa=2.0m时叶轮流道内空泡形态和局部速度矢量分布（1.0Qd）
（a）t=104Δt；（b）t=128Δt；（c）t=152Δt；（d）t=176Δt
由图3.12可知，t=104Δt时，叶轮流道内附着型空泡的末端在叶片长度4/5处，流道内流线分布较均匀，叶片吸力面上空泡的存在影响叶轮流道内的正常流动，使主流速度急增并产生向空泡末端集中的现象，空泡表面受到主流的冲击作用，空泡形态发生变化［与图3.9（d）相比］，如图3.12（a）所示。t=128Δt时，在主流的不断冲击作用下，空泡末端出现裂痕，如图3.12（b）所示。t=152Δt时，空泡出现断裂，分裂成附着在吸力面上的两部分空泡，如图3.12（c）所示。所以，叶轮流道内流动非稳定性也是引起空泡脱落的重要原因。断裂后脱落的空泡，在主流作用下沿着叶片吸力面向叶轮出口处移动，并溃灭而消失，空泡前端向叶片头部回缩，如图3.12（d）所示。
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