泵內部空化研究現狀與發展趨勢

曹雨樺 郭宇翔 蔡聞宇

摘要：空化是指液體流場低壓區域形成蒸汽，空泡的過程，它是泵性能和效率下降的主要原因。總結了空化產生的原因與影響因素，著重對空化的三個負面作用進行比較和分析，提出改善的措施和未來研究方向，以期為空化研究提供參考。

關鍵詞：泵；空化；文獻綜述

一、概述

在醫療、水加工領域，可以利用空化進行結石破碎、機加工毛刺清除。然而在水泵中，空化發生都是有害的，空化會導致泵揚程和效率顯著下降、改變流道內的速度分布、運行噪聲增大、管路振動等，嚴重時會使泵中液流中斷，不能正常工作（1）。空化是提高泵能量性能最主要的障礙，提高泵的抗空化性能對泵穩定、高效地運行具有重要意義。

二、空化現象研究現狀

2.1空化概念

泵在運行過程中，當輸送液體的溫度一定時，降低壓力到液體所處溫度下的汽化壓力時，液體便開始汽化，即溶解于液體中的氣體析出產生氣泡，當氣泡隨水流運動到壓力較高處，泡內蒸汽凝結氣泡潰滅，這個現象稱為空化（2）。

2.2泵空化相關研究呈增長趨勢

截止到2019年1月，在網上搜索主題 “泵空化”的文獻，可以搜索到226篇研究成果，如圖1所示，從2007年開始研究成果的數量開始增多。從2013年到2018年期間，文獻的數量呈現快速增長趨勢。研究手段從最早的實驗法，通過隨機測定空化和空化狀態下壓力脈動信號，對實驗結果從頻率、流量域進行分析，到近年來計算流體動力學 （CFD） 和耦合RANS方程求解技術的發展成熟所產生的數值模擬方法來研究空化流動機理。

三、泵空化研究內容

3.1產生空化的原因

空化初生是空穴在局部壓力降至臨近液體蒸汽壓力的瞬間形成的（3）。若空穴想在液體中生成，則液體必須突破表面張力破裂。液體破裂所需的應力由在該溫度下液體的抗拉強度決定。理論上純水能承受的拉應力達MPa數量級，產生空化的根本原因是液體的連續性被破壞，液體汽化產生氣泡，當液體的含氣量處于過飽和狀態，空泡被釋放出來。存在于液體中的空氣或蒸汽微團稱為空化核子（4）。空化核子的存在大大降低了液體的抗拉強度。

3.2泵空化物理表現形式

當液體中的壓力降到該溫度下流體的飽和汽化壓力Pv時，蒸汽空泡就會形成，一般空化初生發生在輪緣和進口邊的交匯處。在空化數降低后，來流中的空化核在葉片背面的低壓區生長，進入高壓區破裂，在葉片背面產生空泡空化。隨著空化數進一步降低，較大的附著空泡在葉片背面聚集形成，流入高壓區潰滅。當空化數非常低時，通常在低稠密度的葉輪中發生超空穴，此類空穴可能會隨著液體流動一直延伸到葉片出口。當泵在低于設計流量工況運行時，由于泵前后的壓力差會在進口平面上游的環形區域發生回流空化。

3.3泵發生空化的影響因素

泵發生空化和應用環境、泵本身都相關，比如水質、泵安裝高度、吸入室的型式等。在理論上只要泵凈正吸頭NPSHR>裝置凈正吸頭NPSHA，泵內即無空化發生，實際上并不容易操作。比如泵安裝高度越低越不容易發生空化，比吸入面更低更好，但很多場合不能滿足這種條件，成本和空間不允許。想要完全消除空化幾乎是不可能的，現在的研究方向是如何盡量降低空化的負面作用。目前國外內已有很多學者通過實驗或數值模擬的手段來探索減少泵空化的因素。

以下列舉了幾個代表性學者的研究成果。程效銳等人發現隨著誘導輪進口輪轂比的增大，離心泵空化性能降低，λ取0.260 時，離心泵的空化性能最佳（5）。康俊鋆等人對 1 個比轉數為 134 的單級離心泵進行空化性能的模擬，發現隨著進口安放角增大，空化性能變好，但當進口角超過20°時，效率降低，揚程值急劇降低；效率和斷裂空化余量值隨著進口直徑的增加而減小，空化性能有所改善（6）。徐維暉等人發現增大粗糙度將導致離心泵揚程、效率降低；泵處在空化初生及重空化狀態時，粗糙度對泵性能參數的影響程度小于泵處在臨界空化及局部空化狀態下的影響程度（7）。Wu 等通過實驗分析了啟動過程對離心泵空化特性的影響，結果表明啟動加速度提高，臨界空化數越大可以延遲空化發生[8]。

3.4空化的危害

空化會明顯降低泵性能。對泵而言，空化發生時在外特性上表現為揚程、效率、功率的降低，在空化初期，特性曲線無明顯變化，但當空化發展到一定程度超過臨界空化工況點時，空泡區域面積不斷增大阻礙了流體在流道中的流動，葉片無法對流體做功，導致特性曲線急劇下降。不同比轉速的泵性能曲線變化不同。低比轉速泵，性能曲線急速下降；高比轉速泵，性能曲線先是緩慢下降然后急劇下降，這是因為流道變寬使得空泡或空穴充滿流道需要一定的時間。

空化會破壞泵內表面材料。空泡破裂產生壓力波會對附近的流體造成沖擊與振動，當沖擊與振動傳到固體表面時，會在固體表面形成很高的局部瞬變應力，反復作用導致固體表面材料疲勞壽命減短和材料的剝落。此外，脫落下來的固體顆粒隨著流體運動旋轉刮擦其他表面，摩擦發熱造成某些表面局部升溫，甚至會發生化學和電學過程，大大加速了表面材料的損壞。

空化會導致泵進出口結構破壞。空化會影響非定常流動及其動態響應，流體內部出現不穩定性會導致流量和壓力的振蕩，當振蕩的頻率與進口或出口管路的聲學模態一致時，會引發共鳴，共鳴會對管路造成巨大破壞。壓力的變化會引起噪聲，噪聲振幅過大也會引起結構破壞。

3.5泵空化改善措施

減小泵凈正吸頭NPSHR，根據NPSHR的公式可知，可通過減小進口前的絕對速度和相對速度來實現，這兩者和進口幾何參數有關。

采用較大的葉輪進口直徑、增加進口寬度，都可使進口過流斷面增加，在流量一定的情況下，進口速度減小，提高抗汽蝕能力，但不宜過大，過大會增加泄漏損失。

適當增加進口曲率半徑，有利于減小離心力的影響和速度分布不均勻性。

增大葉片進口安放角可以減少葉片的彎曲并減少葉片進口的排擠，增大葉片進口的過流面積，減小絕對速度和相對速度，空化性能得到改善。

流量對空化有影響，流量減小會在葉輪進口形成回流使得流動以近似零沖角的狀態流入，此時流道中的主流損失最少，流量的減少也會使空化數減小。

改變泵體材料，空化會侵蝕泵體材料，可以選用抗空化性能更好的材料代替灰鐵或球墨鑄鐵。

以上的改善措施都會以犧牲泵的某一特性為代價，如增大進口直徑過程中會出現揚程增加，效率明顯降低，但在不同的使用場合，對泵的性能要求會有不同的側重。

四、未來展望與預期

泵發生空化的根本原因在于流體中存在空化核，空化初生不易測量導致對空化的判斷存在滯后，現在普遍用來判斷空化發生的方法是噪聲法和氣泡動力學法，通過泵的噪聲來判斷空化是否發生，但這種測量方法仍存有局限性，噪聲受空化核數目的影響，氣泡動力學法獲得的結果比較接近預測結果，但數值計算復雜且監測點多，空化初生的研究對工程人員來說仍然是一個不易攻克的難題。

目前大多學者著眼于誘導輪、葉輪設計參數、葉片幾何參數對泵空化的影響，鮮有人關注空泡的壽命、大小、生長速度對空化的影響。蝸殼、吸入室等靜止過流部件對空化影響的相關研究還很少。泵內部空化流動是一復雜的過程，我們現有的研究還遠不夠解釋實際操作中可能發生的狀況，有更多的因素值得我們去深入探索。

目前研究的空化模型大多是經過簡化的，計算結果往往和實際流動有較大的偏差，隨著計算機技術的提高和研究的深入，可以建立更貼近實際情況的空化模型，讓計算結果更符合實際流動。現有的研究主要是借助CFD技術對泵空化進行研究，在今后的研究中應該采用更多樣化的模擬手段。

現在研究空化影響因素大多還局限在液體介質中，缺少氣液兩相甚至多相的研究，空化在多相中的規律必然不同于在液相中，今后應著重對其開展研究。

參考文獻

[1]劉宜，陳建新，宋懷德，等.離心泵內部空化流動的定常數值模擬及性能預測[J]. 西華大學學報，2010，11，29（6）：81-84.

[2]尉志蘋，萬惠萍，許姝佳，等. 影響離心泵空化性能的因素分析[J]. 通用機械制造，2011，01，（4）：86-88.

[3]張克危.流體機械原理[M].機械工業出版社，2001.

[4]張克危.流體機械原理[M].機械工業出版社，2001.

[5]程效銳，涂藝萱，滕飛，等. 誘導輪進口輪轂比對離心泵空化性能的影響[J].排灌機械工程學報，2018，01，

[6]康俊鋆，朱榮生，王秀禮，等. 葉輪幾何參數對離心泵斷裂空化性能的影響[J].排灌機械工程學報，2018，02，36（2）：112-117.

[7]徐維暉，侯曉，胡孟，等. 粗糙度對離心泵空化過程的影響[J]. 排灌機械工程學報，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

（作者單位：江蘇大學能源與動力工程學院）