噴水推進泵臨界空化工況空化流態試驗

龍云，馮超，王路逸，王德忠，蔡佑林，朱榮生

（1.江蘇大學 國家水泵及系統工程技術研究中心，鎮江212013； 2.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海200240；3.中國船舶工業集團公司第七〇八研究所 噴水推進技術重點實驗室，上海200111）

空化是離心泵內部重要的激勵源，在泵運行過程中或多或少都存在空化現象，尤其在某些苛刻、極端的運行條件下，空化的產生對泵的穩定運行極為不利。航空燃油泵廣泛應用于航空發動機，現代戰機應具備高空、長航時、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，此時燃油在高溫環境下的空化特性，如空化區域溫度降低，導致當地流體介質物理特性變化，從而對空泡結構和流場結構造成影響，其在高溫和低溫介質中影響顯著［1］?？栈瘑栴}已成為燃油泵研發面臨的主要問題之一［2］。

空化是指在液體流場的低壓區域形成蒸汽空泡的過程?？栈F象不僅包含汽相與液相的相變過程，還涉及到大規模的汽相和液相旋渦運動。Katz［3］發現軸向剪切渦結構在分離區域對空化的發展有影響。Laberteaux等［4］采用高速攝像技術觀察到附著空化閉合區域出現空化渦流結構?？栈囼灥馁M用高昂，試驗中空化的比尺效應無法有效控制，且模型空化試驗結果的換算無統一觀點和準確充分的理論依據?？栈鲃邮且环N復雜的非定常兩相湍流流動，汽泡和液體之間有著非常復雜的質量、動量和能量交換。

軍事領域的技術競爭促進了船舶工業的不斷發展，推進器技術是船舶性能的關鍵。為了實現隱身和精確制導，推進器設計不僅要具有高速度，而且要滿足低振動噪聲。在軍用領域的應用方面，噴水推進技術不僅在高速攻擊艇、海軍高速運輸艦、護衛艦、兩棲裝甲車輛等水面艦船上有所應用，而且在安靜型核潛艇和魚雷等水下也有所應用。噴水推進泵利用泵出口和進口之間的動量差來產生推力。與傳統的螺旋槳相比，噴水推進泵具有抗空化性能強、推進效率高、振動和噪聲水平低、操縱性能好及變工況性能強等優點［5］。噴水推進泵這些特殊的優點促進其快速發展和不斷更新完善，并在高速高性能艦船領域廣泛應用。目前，海軍強國的新一代艦艇多采用噴水推進技術，如美國、日本、俄羅斯等。

噴水推進泵的泵型采用軸流泵或者導葉式混流泵。噴水推進泵主要部件包括葉輪、導葉、噴嘴、主軸和吸入彎管。通常，噴水推進泵的設計主要通過對葉輪和導葉的設計來保證高航速時效率高，同時滿足抗汽蝕能力強、振動噪聲小等特殊要求。另一種方式是增加轉速提高噴水推進泵效率，但增加轉速將導致葉輪內產生空化并伴有噪聲和振動，嚴重影響噴水推進泵穩定運行。

當噴水推進泵內發生空化，不僅會導致推力減小，還會造成效率下降、噪聲增大［6］，長時間在這種工況下運行還會導致噴水推進泵的水力部件內表面金屬剝蝕。噴水推進系統的空化，將導致葉片表面剝蝕加速，從而進一步導致噴水推進泵性能下降。水力部件表面剝蝕嚴重需停航修理或部件更換，這既降低艦船的整體航速，又造成高額維修費用。噴水推進泵性能下降還會影響艦船操縱性和機動性。

為了掌握噴水推進泵內空化流動結構演變規律，捕捉空化演變的物理過程，為空化提供試驗參考，本文通過高速攝像技術，結合壓力測量研究臨界工況點空化渦結構對噴水推進泵性能的影響。在試驗設計中，開展了噴水推進泵在不同進口壓力下的空化性能試驗和高速攝像可視化試驗。隨著泵進口壓力的降低，泵的揚程會逐漸下降，當揚程下降3%時，對應的空化汽蝕余量為泵的臨界空化汽蝕余量，這是評價泵空化性能的關鍵指標，壓力測量是為了獲得泵的性能，從而判斷泵的臨界空化工況。高速攝影技術獲取空化圖像處理方面，主要是劃分不同的空化結構，描述不同的空化形態?？栈l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定，因此在兩相流流型圖像處理方面并未涉及。

1 空化試驗

1.1 試驗原理與試驗方法

1.1.1 試驗原理

在一定轉速和流量下，對一臺確定的噴水推進泵，其必需汽蝕余量NPSHr為定值，對于給定的流量，裝置汽蝕余量NPSHa會隨裝置參數而變化，泵內空化從初生、發展、臨界空化狀態到斷裂空化就是通過改變裝置參數來實現的。在裝置參數改變過程中，通過在葉輪外殼開設有機玻璃可視窗口，采用高速攝像技術觀察空化發展過程中的空化流動結構，有機玻璃可視窗口和泵體完美匹配。

1.1.2 試驗方法

噴水推進泵內發生空化會破壞葉輪和液體的能量交換，在外特性上表現為流量揚程曲線、流量效率曲線和流量功率曲線下降。在閉式試驗臺用真空泵抽真空，降低泵進口處的壓力，逐漸降低NPSHa至泵的揚程下降3%。本文試驗是在中國船舶工業集團公司第七〇八研究所噴水推進泵閉式試驗臺上完成的。

1.2 高速攝像采集系統

高速攝像技術可以得到流體運動的跡線，從而獲得流體運動的演化情況［7-12］。高速攝像技術已經廣泛應用于噴水推進泵空化流場形態及演變可視化的研究中［13-18］。

為了能夠觀測到葉輪部分的空化流動形態，在葉輪輪緣部分開設有機玻璃可視窗口。噴水推進泵高速攝像測量布置如圖1所示。葉輪的中截面和攝像機縱軸線垂直，盡量使測量區域布滿整個畫面。攝像機鏡頭到有機玻璃的距離約為0.5m，拍攝區域大小約為90mm×180mm。采用的攝像機為高速攝像機PCOS，該產品能夠在高光敏度和高動態范圍實現快速幀率，在全分辨率1008像素×1008像素下拍攝頻率達到4467幀／s，并能保證良好的圖像質量。

對于噴水推進泵空化流動的拍攝，拍攝頻率采用如下方法確定。若噴水推進泵的轉速為n，要求葉輪每旋轉一定α角度采集一幅圖像，則拍攝頻率f為

式中：n為葉輪轉速，r／m in；α為葉輪旋轉角度，（°）。在本次拍攝中，設置葉輪每旋轉2°拍攝1幅圖像，根據式（1），計算拍攝頻率值。

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

1.3 噴水推進泵過流部件三維模型

噴水推進泵過流部件三維模型包括進口吸入管、導流帽、葉輪、導葉體、可視窗口等，如圖2所示。

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

2 結果分析

2.1 空化性能試驗

空化的影響主要有2個：①造成性能下降（揚程、流量、效率）；②造成葉片的沖蝕［19］。圖3給出了噴水推進泵在設計工況下的空化性能曲線。圖中：H為泵的揚程，m。在保證流量不變的情況下，通過降低噴水推進泵進口壓力直至空化發生和發展。從圖3中可以看出，在初始階段（A點），噴水推進泵的揚程保持恒定，一般認為在該點空化未發生，隨著進口壓力降低，揚程曲線出現陡降，當揚程下降3%時，對應性能曲線上的E點稱為噴水推進泵臨界空化工況點。

圖3 設計工況下噴水推進泵的空化性能曲線Fig.3 Water-jet propulsion pump cavitation performance curve under design condition

2.2 空化形態

對噴水推進泵中可能出現的幾種空化形式進行定義和描述，如圖4所示［20］。

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

圖4 噴水推進泵葉頂間隙流動結構［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，正沖角時片狀空化發生在葉片吸力面，負沖角時片狀空化發生在葉片壓力面。

2）云狀空化。通常是片狀空化發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，呈現形式是云團或霧狀，其空穴界面是波動和湍動的，具有較強的不穩定特性，其強烈的脈動狀態會導致空化長度的強烈振蕩［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，形成葉頂泄漏渦結構，渦心的低壓區域將會誘導葉頂泄漏渦空化，同時這種葉頂泄漏渦還會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域。

2.3 臨界空化工況點空化流動結構及其演變規律

圖5為臨界空化工況點（圖3中E點）不同葉輪旋轉角度噴水推進泵內部空化流動結構及其演變規律?？梢钥闯?，在葉頂區域存在明顯的葉頂空化，相對于D點的空化狀態，在E點的空化更為劇烈，在卷吸的葉頂泄漏渦中也出現更多更大的空泡，三角區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點更向主流延伸。

當葉輪轉動12°時，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，并在之后的各個時刻，在葉頂三角區尾緣均觀察到這種大尺度的空泡。當葉輪轉動36°時，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動，其旋轉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，脫落的云狀空化方向開始垂直于壓力面，如圖5（e）所示。當葉輪轉動60°時，可以觀察到從三角區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入葉頂間隙。此時的葉頂空化和脫落的云狀空化幾乎占據了大部分的葉頂流道，表明空化已經發展得很嚴重，將會堵塞流道，造成葉片表面強的流動分離，在噴水推進泵的性能上已經產生明顯的影響，導致泵的揚程下降3%。

圖5 臨界空化工況點不同葉輪旋轉角度空化流動結構及其演變規律Fig.5 Cavitation flow structure and its evolution law at different rotating angle of impeller under critical cavitation condition

2.4 臨界空化工況點空化流動數值計算

為了更好地展示空化發生后噴水推進泵內部的空化流動結構，也為了后續空化預測方法的提出，本文先分析臨界空化工況點泵內空化流動的數值計算結果，并與試驗對比。圖6為設計流量下臨界汽蝕余量NPSHr＝7.31時空化渦結構。采用空泡體積分數為0.1的空化等值面來顯示空化區域，渦結構采用0.029等級的Q-Criterion來顯示渦心區域。從圖6中可以看出，葉尖出現了刮起渦（blowing vortex）空化，主流方向與葉片壓力面形成了脫流區，葉片前緣壓力面區域也出現了一定程度的片狀附著空化，同時在葉頂間隙區域出現了間隙泄漏流角渦（corner vortex）空化，在葉片吸力面出現了片狀空化，在葉頂靠近吸力面出現葉頂間隙泄漏渦空化，在葉片尾緣和中間流面附近出現脫落渦云狀空化。

圖6 臨界空化工況下數值計算得到的空化渦結構Fig.6 Cavitation vortex structures calculated by CFD under critical cavitation condition

2.5 討 論

對比空化的數值模擬和可視化試驗結果發現，采用空泡體積分數為0.1的空化等值面和渦結構和采用0.029等級的Q-Criterion很好地顯示了空化區域和渦心區域，但對于預測空化性能的空化特征，仍需要進一步地挖掘和探索。約翰霍普金斯大學Tan等［23］在研究噴水推進泵內空化的大尺度渦結構對泵性能下降的影響時指出（見圖7［23］），覆蓋在吸力面靠近轉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，該干涉對性能斷裂起關鍵作用，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，如圖8所示［23］。圖8（f）中，橫軸σ為空代數，縱軸ψ／ψBEP為揚程數。這些漩渦只影響當地流動復雜性，而對整體噴水推進泵的性能影響極小。隨著壓力降低和片狀空化生長逐漸覆蓋葉片表面，該干涉發生在2個毗鄰葉片覆蓋區域，垂直空化渦從始發葉片的吸力面延伸至相鄰葉片的壓力面。當垂直空化漩渦在葉片之間延伸，開始發生空化斷裂，有效堵塞轉子通道頂部區域，造成噴水推進泵的性能下降（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展過程［23］Fig.8 Progression of cavitation with cavitation number decreasing［23］

3 結 論

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

1）搭建了噴水推進泵綜合性能試驗和測試平臺，獲得了噴水推進泵在設計工況下的空化性能曲線，采用高速攝像技術測得了臨界空化工況時噴水推進泵內空化流動形態。

食品安全問題與居民的健康息息相關，是社會關注的重點。在社會經濟迅猛發展的當下，食品行業雖取得了較為快速的發展，卻也呈現出良莠不齊的問題，有些食品企業生產的食品缺乏質量保障，對人們的身體健康造成威脅。作為檢驗食品質量的重要機構，食品實驗室在保障食品安全方面有重要作用。但是在實際運行過程中，實驗室的質量管理效果并不是很理想，從而影響其重要作用的發揮。

2）分析了噴水推進泵在臨界空化工況下空化流動結構及其演變規律。噴水推進泵內出現的空化形態有片狀空化、云狀空化、葉頂間隙空化、葉頂泄漏渦空化和新發現的垂直空化渦。針對上述空化渦結構的發展過程和演化規律進行了詳細描述。

3）分析臨界空化點NPSHr＝7.31 m時噴水推進泵內空化流動的數值計算結果，并與試驗對比。采用空泡體積分數為0.1的空化等值面來顯示空化區域，渦結構采用0.029等級的Q-Criterion來顯示渦心區域。結合數值模擬和試驗結果，詳細分析了臨界汽蝕余量下空化渦結構和演變規律，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脫落渦云狀空化。