軸流式噴水推進(jìn)器在來(lái)流含氣條件下的空化特性分析

潘中永，張 帥，劉月偉

(江蘇大學(xué) 國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，鎮(zhèn)江 212013)

噴水推進(jìn)作為一種新型的船舶推進(jìn)技術(shù)，利用噴水推進(jìn)泵的高速運(yùn)行從船底進(jìn)水流道吸入的水流，使水流從噴嘴射出，從而產(chǎn)生反作用力推動(dòng)船舶前進(jìn).噴水推進(jìn)器具有很多傳統(tǒng)螺旋槳沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，例如淺水區(qū)運(yùn)行效果好，高航速時(shí)推進(jìn)效率高，抗空化能力強(qiáng)等.因此，噴水推進(jìn)器在高性能船舶上的運(yùn)用變得越來(lái)越普遍.噴水推進(jìn)器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的來(lái)流含氣狀況會(huì)對(duì)噴水推進(jìn)器空化特性造成影響.來(lái)流含氣狀況相比于純水，其氣液兩相流動(dòng)特性與氣泡直徑、氣體含量等因素均有不同程度的關(guān)系.噴水推進(jìn)系統(tǒng)空化會(huì)加速葉片表面剝蝕，從而影響推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)性能[1].文獻(xiàn)[2]通過(guò)試驗(yàn)方法觀察到噴水推進(jìn)泵葉輪內(nèi)垂直空泡渦(PCV)的形成過(guò)程，并發(fā)現(xiàn)PCV的脫落會(huì)間接造成泵揚(yáng)程急劇下降.文獻(xiàn)[3]在對(duì)噴水推進(jìn)滑行艇的研究中發(fā)現(xiàn)空化會(huì)破壞葉輪和導(dǎo)葉的非穩(wěn)定力，嚴(yán)重空化時(shí)空泡會(huì)侵蝕破壞泵體.文獻(xiàn)[4]基于高速成像技術(shù)觀察軸流式噴水推進(jìn)泵葉輪空化演變過(guò)程，發(fā)現(xiàn)空化最早出現(xiàn)在葉輪葉頂間隙處.文獻(xiàn)[5-6]使用高速攝影拍攝了混流式噴水推進(jìn)泵內(nèi)部空化演變規(guī)律，揭示了泵內(nèi)空化演變過(guò)程及翼型背面壓力脈動(dòng)規(guī)律.基于雷諾時(shí)均方程和均質(zhì)多相流模型，文獻(xiàn)[7]對(duì)噴水推進(jìn)軸流泵空化性能進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)空化會(huì)導(dǎo)致推力和扭矩陡然下降.文獻(xiàn)[8]基于數(shù)值模擬方法對(duì)噴水推進(jìn)泵葉頂泄漏渦空化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)葉頂附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值隨空化程度加劇而增大.文獻(xiàn)[9]對(duì)混流式噴水推進(jìn)泵空化與渦相互作用機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)空化的發(fā)展加劇了泵內(nèi)渦流的產(chǎn)生和流動(dòng)不穩(wěn)定性.文獻(xiàn)[10]利用數(shù)值模擬方法對(duì)噴水推進(jìn)泵在性能陡降工況下的內(nèi)部空化流動(dòng)機(jī)理及渦與空化相互作用機(jī)制進(jìn)行深入分析.文獻(xiàn)[11]利用高速攝像技術(shù)捕捉到了噴水推進(jìn)泵葉輪在空化初生工況下的空化流動(dòng)形態(tài).文獻(xiàn)[12]對(duì)混流式噴水推進(jìn)器空化性能進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)空化易導(dǎo)致噴水推進(jìn)器流量、揚(yáng)程等性能參數(shù)明顯下降.針對(duì)上述文獻(xiàn)可知，國(guó)內(nèi)外對(duì)泵內(nèi)氣液兩相流對(duì)泵空化性能的影響進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬，但是對(duì)噴水推進(jìn)器內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)研究較少，主要集中在純水介質(zhì)下的推進(jìn)泵性能和純水空化性能方面，同時(shí)大多采用直管替代彎曲進(jìn)水流道，很難真實(shí)模擬出實(shí)際航行時(shí)不同航速下的噴水推進(jìn)器性能.對(duì)噴水推進(jìn)器在實(shí)際航行時(shí)來(lái)流含氣造成的內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)以及來(lái)流含氣后的空化流場(chǎng)狀況研究則更為匱乏.因此，文中以船用軸流式噴水推進(jìn)器為研究對(duì)象，對(duì)其在不同航速下純水介質(zhì)及不同氣相參數(shù)的氣液兩相介質(zhì)下的空化流動(dòng)定常與非定常特性展開數(shù)值模擬.

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 模型參數(shù)

噴水推進(jìn)器軸流泵的主要參數(shù)如表1.

表1 噴水推進(jìn)泵參數(shù)表

通過(guò)三維軟件Creo6.0對(duì)軸流式噴水推進(jìn)器模型進(jìn)行三維建模，如圖1.

圖1 噴水推進(jìn)器三維模型Fig.1 3D model of intake duct and axial flow water-jet pump

采用流場(chǎng)控制體模擬船底周圍水域并加裝在進(jìn)水流道下方，流場(chǎng)控制體尺寸為30D×10D×8D，其中D為噴水推進(jìn)泵葉輪外徑[13].裝配得到整體計(jì)算域，如圖2.

圖2 噴水推進(jìn)器計(jì)算域Fig.2 Computational domain of water-jet propulsion

1.2 多相流和空化模型

目前對(duì)氣液兩相計(jì)算主要使用歐拉-歐拉法.在CFX中，歐拉-歐拉方法使用的模型有兩種：均相流模型和非均相流模型.

均相流模型假設(shè)各相速度相同且相間無(wú)滑移，非均相流模型在考慮相間速度滑移的基礎(chǔ)上，還考慮了相間動(dòng)量傳遞和質(zhì)量傳遞等.在氣液兩相流數(shù)值模擬中，非均相流假設(shè)氣液兩相相互獨(dú)立，通過(guò)對(duì)每一相進(jìn)行單獨(dú)求解，充分考慮了氣液兩相之間的能量傳遞和速度滑移作用，更符合真實(shí)流動(dòng).因此，選用歐拉-歐拉非均相流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，相間傳遞采用粒子模型，動(dòng)量傳遞采用Schiller Naumann模型.空化模型采用CFX軟件默認(rèn)的ZGB空化模型.

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 網(wǎng)格劃分

利用ICEM軟件對(duì)噴水推進(jìn)器和流場(chǎng)控制體進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)進(jìn)水流道與流場(chǎng)控制體交界面處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，如圖3.

圖3 進(jìn)水流道及流場(chǎng)控制體網(wǎng)格Fig.3 Mesh of intake duct and water volume

噴水推進(jìn)泵采用TurboGrid進(jìn)行自動(dòng)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并對(duì)葉片周圍壁面和輪緣間隙區(qū)進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，保證壁面y+符合湍流模型求解要求，如圖4.

2.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)噴水推進(jìn)器推力和流量進(jìn)行數(shù)值模擬，當(dāng)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量在3 302 048時(shí)，再增加網(wǎng)格數(shù)量，推力變化小于1%，符合網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證要求，具體方案如表2.考慮計(jì)算資源及求解精度，最終選擇網(wǎng)格劃分方案3.

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

2.3 邊界條件

采用CFX 2019R3軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，葉輪設(shè)為旋轉(zhuǎn)域，轉(zhuǎn)速為5 500 r/min；噴嘴、導(dǎo)葉、進(jìn)水流道和流場(chǎng)控制體設(shè)為靜止域，進(jìn)水流道內(nèi)部嵌入的驅(qū)動(dòng)軸設(shè)為相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，計(jì)算域內(nèi)固體壁面條件均設(shè)為無(wú)滑移壁面.流場(chǎng)控制體模擬船底水域，控制體進(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口，控制體出口采用自由出流；噴嘴出口通向大氣，采用靜壓出口，壓力值為0.1 MPa.

在材料中新建和設(shè)置空泡Vapour相物性參數(shù)，純水空化流場(chǎng)模擬中，設(shè)置初始進(jìn)水流道進(jìn)口空泡、液相體積分?jǐn)?shù)分別為0和1.來(lái)流含氣空化流場(chǎng)模擬中，設(shè)置初始進(jìn)水流道進(jìn)口空泡體積分?jǐn)?shù)為0，氣液兩相體積分?jǐn)?shù)之和為1.假設(shè)流動(dòng)過(guò)程中溫度保持不變，該溫度下流體的飽和蒸汽壓力為3 574 Pa.

以雷諾時(shí)均N-S方程作為基本控制方程，采用SSTk-ω湍流模型，殘差收斂精度設(shè)為10-5.定常計(jì)算下動(dòng)靜交界面設(shè)為Frozen Rotor，對(duì)流項(xiàng)設(shè)為High Resolution.非定常計(jì)算下將進(jìn)水流道與葉輪、葉輪與導(dǎo)葉動(dòng)靜交界面改為“Transient Rotor Stator”模式.由穩(wěn)態(tài)計(jì)算調(diào)整為瞬態(tài)計(jì)算，計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)T=0.08 727 s，共8個(gè)周期，每3°算一步，對(duì)應(yīng)ΔT=0.000 090 91 s.

2.4 噴水推進(jìn)器推力性能試驗(yàn)

噴水推進(jìn)器性能實(shí)船試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件較多，組裝復(fù)雜，成本高，并且穩(wěn)定性差，一旦性能達(dá)不到預(yù)期效果就會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)資源的過(guò)度浪費(fèi).因此，靜水試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)改變噴泵轉(zhuǎn)速n來(lái)測(cè)試噴水推進(jìn)器推力T的性能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工成本低，組裝簡(jiǎn)單，試驗(yàn)周期短等優(yōu)勢(shì)，試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)結(jié)果如圖5.由于柴油機(jī)組的問(wèn)題，試驗(yàn)過(guò)程中未能實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速，最高只達(dá)到額定轉(zhuǎn)速.連續(xù)進(jìn)行兩次試驗(yàn)以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，隨著轉(zhuǎn)速增加，流量增大，推力增加，初步分析由于仿真忽略了軸承摩擦等機(jī)械損失,導(dǎo)致各個(gè)轉(zhuǎn)速下的仿真推力值高于試驗(yàn)推力值，但試驗(yàn)和仿真推力值隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)吻合度較高，尤其是在轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速5 500 r/min時(shí)，試驗(yàn)推力與仿真推力誤差約為3%，證明噴水推進(jìn)器仿真模型能夠?qū)ζ湫阅苓M(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè).

圖5 推力試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Thrust test and test results

3 空化原理和空化特性分析

3.1 噴水推進(jìn)器空化原理

在噴水推進(jìn)器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)應(yīng)某一工況，進(jìn)水流道提供有效的凈正吸頭(NPSHa)，噴水推進(jìn)泵具有必須的凈正吸頭(NPSHr)，可以根據(jù)進(jìn)水流道提供的有效凈正吸頭與泵需要的必須凈正吸頭的關(guān)系判斷空化是否發(fā)生.

進(jìn)水流道提供的有效凈正吸頭可表示為：

(1)

式中：p∞為環(huán)境壓力，Pa；pv為液體的汽化壓力，Pa；vs為航速，m/s；ω為伴流系數(shù)；ε為進(jìn)水流道損失系數(shù)；ρ為液體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；hj為噴泵相對(duì)于進(jìn)水流道進(jìn)口的安裝高度，m.

噴水推進(jìn)泵需要的必須凈正吸頭可表示為：

(2)

式中：v1和ω1為葉輪進(jìn)口處的絕對(duì)速度和相對(duì)速度，m/s；λ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與葉輪的幾何參數(shù)有關(guān)，通常取值為0.15～0.40.

當(dāng)進(jìn)水流道提供的有效凈正吸頭(NPSHa)大于噴水推進(jìn)泵需要的必須凈正吸頭(NPSHr)時(shí)，泵內(nèi)不會(huì)發(fā)生空化；反之則會(huì)發(fā)生空化.

定義噴水推進(jìn)器空化數(shù)σwj描述噴水推進(jìn)器空化情況[14]：

(3)

式中：pin為泵進(jìn)流面靜壓力，Pa；pv為液體的汽化壓力，Pa；vp為泵進(jìn)流面平均速度，m/s，ρ為液體的密度，kg/m3.

3.2 噴水推進(jìn)器空化特性分析

以固定航速30 kn、氣泡直徑0.2 mm工況為例，分析不同進(jìn)口含氣率對(duì)葉輪流道進(jìn)流面周向壓力及葉輪流道空化分布的影響.以固定航速30 kn、進(jìn)口含氣率15%、氣泡直徑0.2 mm工況為例，分析來(lái)流含氣對(duì)噴水推進(jìn)器空化非定常流動(dòng)的影響.

3.2.1 來(lái)流含氣對(duì)噴水推進(jìn)器空化性能影響

圖6(a)為泵進(jìn)流面壓力和速度隨進(jìn)口含氣率a變化關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)泵進(jìn)流面壓力pin隨進(jìn)口含氣率增加而逐漸增大，當(dāng)含氣率大于15%時(shí)，再增加含氣率時(shí)壓力pin基本保持不變.泵進(jìn)流面速度vp隨進(jìn)口含氣率增加呈線性減小趨勢(shì)，這是由于進(jìn)口含氣率增加，泵進(jìn)流面流量減小導(dǎo)致的.

將圖6(a)不同進(jìn)口含氣率下的泵進(jìn)流面壓力pin和速度vp數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空化數(shù)，得到噴水推進(jìn)器空化數(shù)隨進(jìn)口含氣率變化關(guān)系，如圖6(b).由圖可知，隨著進(jìn)口含氣率增加，空化數(shù)逐漸增大，此時(shí)噴水推進(jìn)器葉輪越不容易發(fā)生空化，這是因?yàn)殡S進(jìn)口含氣率增加，泵進(jìn)流面流速vp逐漸減小，泵進(jìn)流面壓力pin逐漸增大，由式(3)可知，噴水推進(jìn)器空化數(shù)此時(shí)會(huì)逐漸增大，說(shuō)明來(lái)流含氣在一定程度上有利于增強(qiáng)噴水推進(jìn)器抗空化性能.

圖6 進(jìn)流面壓力、流速及空化數(shù)與進(jìn)口含氣率變化關(guān)系Fig.6 Relationship between inlet surface pressure,flow rate and cavitation number and inlet air content

3.2.2 進(jìn)口含氣率對(duì)葉輪流道進(jìn)流面周向壓力的影響

噴水推進(jìn)器在海面上工作時(shí)經(jīng)常會(huì)從進(jìn)水流道進(jìn)水口吸入空氣，噴水推進(jìn)器來(lái)流含氣會(huì)影響葉輪各流道進(jìn)流面壓力分布，從而進(jìn)一步影響噴水推進(jìn)器的空化性能.圖7為在固定航速30 kn工況下，不同進(jìn)口含氣率時(shí)各流道進(jìn)流面周向壓力分布.為了能更清楚的展示各流道壓力分布的狀況，將空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)為圓柱坐標(biāo)系θ，d為葉片輪轂到輪緣的無(wú)量綱距離.其中，流道1處于6°～78°，流道2處于78°～150°，以此類推.

由圖可知，在純水空化工況下，各流道進(jìn)流面上均存在明顯的低壓區(qū)，流道4和流道5區(qū)間范圍內(nèi)從輪轂至輪緣均顯現(xiàn)出大面積低壓區(qū)，只在靠近葉片壓力面附近才存在較小范圍的高壓區(qū)域，流道4和流道5的低壓區(qū)面積明顯大于其他流道，說(shuō)明流道4和流道5內(nèi)的空化程度較其他流道更嚴(yán)重，其余流道低壓區(qū)主要分布在輪緣處.當(dāng)進(jìn)口含氣率為5%時(shí)，各流道上的低壓區(qū)域由輪轂至輪緣逐漸減少，高壓區(qū)域逐漸增多，低壓區(qū)主要集中在葉片吸力面和輪緣附近，輪緣處的低壓區(qū)明顯多于輪轂處，說(shuō)明葉片輪緣處在泄漏流的擾動(dòng)下，其空化程度要比葉片其他位置嚴(yán)重.當(dāng)進(jìn)口含氣率達(dá)到25%時(shí)，高壓區(qū)范圍變得越來(lái)越大，低壓區(qū)范圍變得越來(lái)越小.由分析可得，進(jìn)口含氣率對(duì)葉輪各流道進(jìn)流面的壓力分布影響十分明顯，在固定航速下，低壓區(qū)域隨著進(jìn)口含氣率的增加變得越來(lái)越小，同時(shí)在進(jìn)流面上周向壓力分布的差異性也越來(lái)越小，說(shuō)明來(lái)流含氣在一定程度上有助于改善噴水推進(jìn)器的空化性能.

圖7 不同進(jìn)口含氣率下葉輪各流道進(jìn)流面周向壓力分布Fig.7 Circumferential pressure distribution on inlet surface of impeller with different inlet void fraction

對(duì)葉輪各流道進(jìn)流面輪轂側(cè)，中間位置以及輪緣側(cè)3個(gè)位置上的周向壓力p進(jìn)行定量分析，如圖8.

圖8 葉輪各流道進(jìn)流面周向壓力分布Fig.8 Circumferential pressure distribution on inlet surfaceof impeller

圖8(a)顯示，在葉輪5個(gè)流道上輪轂位置處，純水空化時(shí)壓力最低，進(jìn)口含氣率達(dá)到25%時(shí)壓力最高，輪轂側(cè)周向壓力與進(jìn)口含氣率成正相關(guān)性.圖8(b)顯示的進(jìn)流面中間流線處周向壓力與進(jìn)口含氣率的關(guān)系與輪轂位置保持一致.與進(jìn)流面輪轂處、進(jìn)流面中間位置上的壓力與進(jìn)口含氣率關(guān)系不同，進(jìn)流面輪緣處壓力與進(jìn)口含氣率的關(guān)系表現(xiàn)出不一樣的變化趨勢(shì)，在各流道的前半個(gè)流道內(nèi)，周向壓力與進(jìn)口含氣率成正相關(guān)性，進(jìn)口含氣率升高，周向壓力隨之升高；在后半個(gè)流道范圍內(nèi)，周向壓力與進(jìn)口含氣率成負(fù)相關(guān)性，進(jìn)口含氣率升高，周向壓力反而降低.以上分析表明，輪緣處的流動(dòng)狀況較葉片其他位置更復(fù)雜.

3.2.3 進(jìn)口含氣率對(duì)葉輪空泡分布的影響

圖9為T=0.087 27 s時(shí)葉輪內(nèi)空泡分布隨進(jìn)口含氣率變化規(guī)律.如圖所示，空泡主要發(fā)生在葉片吸力面進(jìn)口邊附近，同時(shí)沿著輪緣方向向葉片出口邊方向發(fā)展.進(jìn)口含氣率對(duì)固定航速工況下空化狀況影響非常明顯，在固定航速工況下，隨著進(jìn)口含氣率增加，空化區(qū)域由輪轂向輪緣方向遞減，說(shuō)明在來(lái)流含氣條件下發(fā)生空化時(shí)，氣體的加入有助于抑制空泡的發(fā)展.

圖9 進(jìn)口含氣率對(duì)葉輪流道空泡分布的影響Fig.9 Effect of inlet void fraction on cavity distribution in flow channel

由圖9分析可知，不同進(jìn)口含氣率下，空泡主要集中在葉片吸力面的進(jìn)口邊及輪緣附近.進(jìn)一步對(duì)進(jìn)口含氣率對(duì)葉片靠近輪緣位置空泡分布的影響進(jìn)行分析.圖10為此時(shí)刻下各葉片靠近輪緣位置的空間展開.由圖可知，在純水工況時(shí)，各葉片在輪緣位置的空化現(xiàn)象較為明顯，空化區(qū)域主要顯現(xiàn)在吸力面進(jìn)口邊附近，同時(shí)各個(gè)葉片上的空化分布并不均勻.隨著進(jìn)口含氣率升高，葉片輪緣附近的空泡體積分?jǐn)?shù)數(shù)值和空化范圍逐漸減小，空泡分布不對(duì)稱性減弱，葉輪域內(nèi)的空化程度得到明顯改善.

圖10 不同進(jìn)口含氣率下葉輪葉片間空泡分布(靠近輪緣處)Fig.10 Cavitation distribution between impeller blades (near the flange) under different inlet void fraction

3.2.4 氣相介質(zhì)對(duì)空化非定常特性的影響

由前文分析可知，噴水推進(jìn)器來(lái)流含氣時(shí)，有助于抑制葉輪流道內(nèi)的空化發(fā)展，對(duì)噴水推進(jìn)器來(lái)流含氣空化流動(dòng)的非定常特性進(jìn)行分析，同時(shí)與純水空化流場(chǎng)非定常特性進(jìn)行對(duì)比.

圖11為純水與來(lái)流含氣空化流場(chǎng)中，葉輪5個(gè)葉片上空泡面積變化情況.由圖可知，在葉輪1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，5個(gè)葉片上的空泡面積數(shù)值均呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律變化，同時(shí)顯現(xiàn)出明顯的波峰和波谷，說(shuō)明各葉片上的空化程度變化較為明顯；各葉片空泡面積波峰和波谷出現(xiàn)的位置存在明顯的相位差，表明各葉片上空化變化規(guī)律不一致，說(shuō)明葉片上的非對(duì)稱空化程度較高.在純水空化流場(chǎng)中，葉輪各葉片上的空泡面積幅值明顯大于來(lái)流含氣空化流場(chǎng)，說(shuō)明純水空化流場(chǎng)的不穩(wěn)定性強(qiáng)于來(lái)流含氣空化流場(chǎng).

圖11 葉輪葉片空泡面積隨時(shí)間變化Fig.11 Change of cavitation area of impeller blade with time

圖12為純水與來(lái)流含氣空化流場(chǎng)中葉輪流道內(nèi)空泡形態(tài)隨時(shí)間變化規(guī)律，在葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，各流道內(nèi)的空泡尺度呈非對(duì)稱狀態(tài)，各流道的空化區(qū)域范圍不一致，純水空化流場(chǎng)中的空泡區(qū)域明顯大于來(lái)流含氣空化流場(chǎng)，說(shuō)明來(lái)流含氣對(duì)空化的發(fā)展有一定抑制作用.不同時(shí)刻下，各流道內(nèi)的空泡體積變化過(guò)程中同時(shí)存在膨脹和縮小現(xiàn)象，說(shuō)明葉輪內(nèi)部的空化情況隨時(shí)間的變化具有不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性可能會(huì)對(duì)葉輪內(nèi)的流體造成強(qiáng)烈的沖擊.

圖12 葉輪空泡演變Fig.12 Cavitation evolution of impeller

由上圖分析可知，在葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，不同時(shí)刻下葉輪輪緣區(qū)的空化情況較為嚴(yán)重復(fù)雜，由于葉輪輪緣間隙流動(dòng)對(duì)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)具有較大的影響，需要對(duì)不同時(shí)刻下葉輪輪緣區(qū)的空化流動(dòng)情況做進(jìn)一步分析.圖13為不同時(shí)刻下，純水與來(lái)流含氣空化時(shí)葉輪輪緣區(qū)的空化分布情況.由圖可知，在純水空化中，5個(gè)葉片上的空化區(qū)域均附著在葉片吸力面進(jìn)口邊附近，但分布范圍、形態(tài)及空泡體積分?jǐn)?shù)數(shù)值各不相同，同時(shí)隨著葉輪旋轉(zhuǎn)，各流道輪緣側(cè)的空泡變化規(guī)律不一致，以流道A和C為例，流道A輪緣側(cè)空化區(qū)域逐漸增大，說(shuō)明空化程度逐漸增強(qiáng)，流道C輪緣側(cè)空化區(qū)域逐漸減小，說(shuō)明空化程度逐漸減弱.在來(lái)流含氣空化中，5個(gè)葉片上的空化分布范圍和空泡體積分?jǐn)?shù)數(shù)值均遠(yuǎn)低于同時(shí)刻時(shí)純水空化中對(duì)應(yīng)的空化分布范圍和空泡體積分?jǐn)?shù)數(shù)值，隨著葉輪旋轉(zhuǎn)，各流道輪緣側(cè)的空泡變化規(guī)律各異，說(shuō)明在葉輪輪緣側(cè)，空泡的成長(zhǎng)與潰滅現(xiàn)象并存，這也表現(xiàn)出輪緣側(cè)流動(dòng)的強(qiáng)不穩(wěn)定性.在純水與來(lái)流含氣空化流場(chǎng)中，葉輪輪緣側(cè)均存在復(fù)雜的空化演變過(guò)程，純水空化中的空化范圍更大，空化程度更深，說(shuō)明來(lái)流含氣中氣體的加入對(duì)葉輪輪緣側(cè)空化的發(fā)展起到了抑制作用.

圖13 葉輪葉片間空泡演變(靠近輪緣處)Fig.13 Cavitation evolution between impeller blades (near the flange)

在葉輪葉片吸力面設(shè)置5個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄空化流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)特性.如圖14，葉片進(jìn)口邊到葉片出口邊各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為BS1～BS5.

圖14 吸力面監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.14 Schematic diagram of suction surface monitoring points

時(shí)域圖和頻域圖如圖15.由圖可知，來(lái)流含氣空化條件下葉片吸力面上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)系數(shù)cp的波動(dòng)峰值和波動(dòng)頻率均小于純水空化流動(dòng)，這可能與來(lái)流含氣空化流動(dòng)中空泡體積的減少有關(guān)；從葉片進(jìn)口邊到出口邊，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)波動(dòng)規(guī)律性不強(qiáng)，同時(shí)在葉片吸力面進(jìn)口邊附近，由于空泡體積的不穩(wěn)定變化導(dǎo)致葉片出口邊壓力脈動(dòng)幅值小于葉片進(jìn)口邊.由頻域圖可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在純水與來(lái)流含氣空化流場(chǎng)中的主頻均為1倍轉(zhuǎn)頻f/fY，純水流場(chǎng)中的次頻成分多于來(lái)流含氣空化流場(chǎng).同時(shí)在同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，來(lái)流含氣空化流場(chǎng)中的主頻幅值小于純水空化流場(chǎng)，這說(shuō)明氣體的加入對(duì)空化流動(dòng)不穩(wěn)定性具有一定的減緩作用.

圖15 純水空化與來(lái)流含氣空化條件下葉輪內(nèi)壓力脈動(dòng)特性Fig.15 Characteristics of pressure fluctuation in impeller under the condition of pure water cavitation and incoming air cavitation

4 結(jié)論

(1) 來(lái)流含氣空化時(shí)，隨進(jìn)口含氣率升高，噴水推進(jìn)器空化數(shù)增大，說(shuō)明進(jìn)口含氣率增加在一定程度上有助于增強(qiáng)噴水推進(jìn)器抗空化性能；葉輪各流道進(jìn)流面低壓區(qū)面積減小，高壓區(qū)面積增大，周向壓力分布不均勻性減弱；葉輪內(nèi)空泡體積分?jǐn)?shù)減小，葉輪空化程度減弱.

(2) 純水與來(lái)流含氣空化流場(chǎng)中，葉輪空泡體積分?jǐn)?shù)數(shù)值呈周期性規(guī)律變化，具有較強(qiáng)的非定常特性；各葉片空泡形態(tài)在不同時(shí)刻下呈現(xiàn)不同的變化狀態(tài)，這種變化可能會(huì)對(duì)葉輪內(nèi)的流體造成強(qiáng)烈的沖擊；來(lái)流含氣空化流場(chǎng)中的壓力波動(dòng)峰值和振蕩頻率均小于純水空化流場(chǎng)，說(shuō)明氣體的加入對(duì)空化流動(dòng)不穩(wěn)定具有一定的減緩作用.