泵内部空化研究现状与发展趋势

曹雨桦 郭宇翔 蔡闻宇

摘要：空化是指液体流场低压区域形成蒸汽，空泡的过程，它是泵性能和效率下降的主要原因。总结了空化产生的原因与影响因素，着重对空化的三个负面作用进行比较和分析，提出改善的措施和未来研究方向，以期为空化研究提供参考。

关键词：泵；空化；文献综述

一、概述

在医疗、水加工领域，可以利用空化进行结石破碎、机加工毛刺清除。然而在水泵中，空化发生都是有害的，空化会导致泵扬程和效率显著下降、改变流道内的速度分布、运行噪声增大、管路振动等，严重时会使泵中液流中断，不能正常工作（1）。空化是提高泵能量性能最主要的障碍，提高泵的抗空化性能对泵稳定、高效地运行具有重要意义。

二、空化现象研究现状

2.1空化概念

泵在运行过程中，当输送液体的温度一定时，降低压力到液体所处温度下的汽化压力时，液体便开始汽化，即溶解于液体中的气体析出产生气泡，当气泡随水流运动到压力较高处，泡内蒸汽凝结气泡溃灭，这个现象称为空化（2）。

2.2泵空化相关研究呈增长趋势

截止到2019年1月，在网上搜索主题 “泵空化”的文献，可以搜索到226篇研究成果，如图1所示，从2007年开始研究成果的数量开始增多。从2013年到2018年期间，文献的数量呈现快速增长趋势。研究手段从最早的实验法，通过随机测定空化和空化状态下压力脉动信号，对实验结果从频率、流量域进行分析，到近年来计算流体动力学 （CFD） 和耦合RANS方程求解技术的发展成熟所产生的数值模拟方法来研究空化流动机理。

三、泵空化研究内容

3.1产生空化的原因

空化初生是空穴在局部压力降至临近液体蒸汽压力的瞬间形成的（3）。若空穴想在液体中生成，则液体必须突破表面张力破裂。液体破裂所需的应力由在该温度下液体的抗拉强度决定。理论上纯水能承受的拉应力达MPa数量级，产生空化的根本原因是液体的连续性被破坏，液体汽化产生气泡，当液体的含气量处于过饱和状态，空泡被释放出来。存在于液体中的空气或蒸汽微团称为空化核子（4）。空化核子的存在大大降低了液体的抗拉强度。

3.2泵空化物理表现形式

当液体中的压力降到该温度下流体的饱和汽化压力Pv时，蒸汽空泡就会形成，一般空化初生发生在轮缘和进口边的交汇处。在空化数降低后，来流中的空化核在叶片背面的低压区生长，进入高压区破裂，在叶片背面产生空泡空化。随着空化数进一步降低，较大的附着空泡在叶片背面聚集形成，流入高压区溃灭。当空化数非常低时，通常在低稠密度的叶轮中发生超空穴，此类空穴可能会随着液体流动一直延伸到叶片出口。当泵在低于设计流量工况运行时，由于泵前后的压力差会在进口平面上游的环形区域发生回流空化。

3.3泵发生空化的影响因素

泵发生空化和应用环境、泵本身都相关，比如水质、泵安装高度、吸入室的型式等。在理论上只要泵净正吸头NPSHR>装置净正吸头NPSHA，泵内即无空化发生，实际上并不容易操作。比如泵安装高度越低越不容易发生空化，比吸入面更低更好，但很多场合不能满足这种条件，成本和空间不允许。想要完全消除空化几乎是不可能的，现在的研究方向是如何尽量降低空化的负面作用。目前国外内已有很多学者通过实验或数值模拟的手段来探索减少泵空化的因素。

以下列举了几个代表性学者的研究成果。程效锐等人发现随着诱导轮进口轮毂比的增大，离心泵空化性能降低，λ取0.260 时，离心泵的空化性能最佳（5）。康俊鋆等人对 1 个比转数为 134 的单级离心泵进行空化性能的模拟，发现随着进口安放角增大，空化性能变好，但当进口角超过20°时，效率降低，扬程值急剧降低；效率和断裂空化余量值随着进口直径的增加而减小，空化性能有所改善（6）。徐维晖等人发现增大粗糙度将导致离心泵扬程、效率降低；泵处在空化初生及重空化状态时，粗糙度对泵性能参数的影响程度小于泵处在临界空化及局部空化状态下的影响程度（7）。Wu 等通过实验分析了启动过程对离心泵空化特性的影响，结果表明启动加速度提高，临界空化数越大可以延迟空化发生[8]。

3.4空化的危害

空化会明显降低泵性能。对泵而言，空化发生时在外特性上表现为扬程、效率、功率的降低，在空化初期，特性曲线无明显变化，但当空化发展到一定程度超过临界空化工况点时，空泡区域面积不断增大阻碍了流体在流道中的流动，叶片无法对流体做功，导致特性曲线急剧下降。不同比轉速的泵性能曲线变化不同。低比转速泵，性能曲线急速下降；高比转速泵，性能曲线先是缓慢下降然后急剧下降，这是因为流道变宽使得空泡或空穴充满流道需要一定的时间。

空化会破坏泵内表面材料。空泡破裂产生压力波会对附近的流体造成冲击与振动，当冲击与振动传到固体表面时，会在固体表面形成很高的局部瞬变应力，反复作用导致固体表面材料疲劳寿命减短和材料的剥落。此外，脱落下来的固体颗粒随着流体运动旋转刮擦其他表面，摩擦发热造成某些表面局部升温，甚至会发生化学和电学过程，大大加速了表面材料的损坏。

空化会导致泵进出口结构破坏。空化会影响非定常流动及其动态响应，流体内部出现不稳定性会导致流量和压力的振荡，当振荡的频率与进口或出口管路的声学模态一致时，会引发共鸣，共鸣会对管路造成巨大破坏。压力的变化会引起噪声，噪声振幅过大也会引起结构破坏。

3.5泵空化改善措施

减小泵净正吸头NPSHR，根据NPSHR的公式可知，可通过减小进口前的绝对速度和相对速度来实现，这两者和进口几何参数有关。

采用较大的叶轮进口直径、增加进口宽度，都可使进口过流断面增加，在流量一定的情况下，进口速度减小，提高抗汽蚀能力，但不宜过大，过大会增加泄漏损失。

适当增加进口曲率半径，有利于减小离心力的影响和速度分布不均匀性。

增大叶片进口安放角可以减少叶片的弯曲并减少叶片进口的排挤，增大叶片进口的过流面积，减小绝对速度和相对速度，空化性能得到改善。

流量对空化有影响，流量减小会在叶轮进口形成回流使得流动以近似零冲角的状态流入，此时流道中的主流损失最少，流量的减少也会使空化数减小。

改变泵体材料，空化会侵蚀泵体材料，可以选用抗空化性能更好的材料代替灰铁或球墨铸铁。

以上的改善措施都会以牺牲泵的某一特性为代价，如增大进口直径过程中会出现扬程增加，效率明显降低，但在不同的使用场合，对泵的性能要求会有不同的侧重。

四、未来展望与预期

泵发生空化的根本原因在于流体中存在空化核，空化初生不易测量导致对空化的判断存在滞后，现在普遍用来判断空化发生的方法是噪声法和气泡动力学法，通过泵的噪声来判断空化是否发生，但这种测量方法仍存有局限性，噪声受空化核数目的影响，气泡动力学法获得的结果比较接近预测结果，但数值计算复杂且监测点多，空化初生的研究对工程人员来说仍然是一个不易攻克的难题。

目前大多学者着眼于诱导轮、叶轮设计参数、叶片几何参数对泵空化的影响，鲜有人关注空泡的寿命、大小、生长速度对空化的影响。蜗壳、吸入室等静止过流部件对空化影响的相关研究还很少。泵内部空化流动是一复杂的过程，我们现有的研究还远不够解释实际操作中可能发生的状况，有更多的因素值得我们去深入探索。

目前研究的空化模型大多是经过简化的，计算结果往往和实际流动有较大的偏差，随着计算机技术的提高和研究的深入，可以建立更贴近实际情况的空化模型，让计算结果更符合实际流动。现有的研究主要是借助CFD技术对泵空化进行研究，在今后的研究中应该采用更多样化的模拟手段。

现在研究空化影响因素大多还局限在液体介质中，缺少气液两相甚至多相的研究，空化在多相中的规律必然不同于在液相中，今后应着重对其开展研究。

参考文献

[1]刘宜，陈建新，宋怀德，等.离心泵内部空化流动的定常数值模拟及性能预测[J]. 西华大学学报，2010，11，29（6）：81-84.

[2]尉志苹，万惠萍，许姝佳，等. 影响离心泵空化性能的因素分析[J]. 通用机械制造，2011，01，（4）：86-88.

[3]张克危.流体机械原理[M].机械工业出版社，2001.

[4]张克危.流体机械原理[M].机械工业出版社，2001.

[5]程效锐，涂艺萱，滕飞，等. 诱导轮进口轮毂比对离心泵空化性能的影响[J].排灌机械工程学报，2018，01，

[6]康俊鋆，朱荣生，王秀礼，等. 叶轮几何参数对离心泵断裂空化性能的影響[J].排灌机械工程学报，2018，02，36（2）：112-117.

[7]徐维晖，侯晓，胡孟，等. 粗糙度对离心泵空化过程的影响[J]. 排灌机械工程学报，2018，36（3），：198-202.

[8]D. Z. Wu， L. Q. Wan，Z .R. Hao，et al. Experimental Study on Hydrodynamic Performance ofa Cavitating Centrifugal Pump during Transient Operation [J]. Journal of Mechanical Scienceand Technology， 2010， 24（2）： 575-582

（作者单位：江苏大学能源与动力工程学院）