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| 內容簡介： |
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轴流泵是一种大流量、低扬程泵型，广泛应用于大中型调水工程、核电、船舶推进、工业水循环、农田排灌等国民经济重要领域。轴流泵运行时经常出现空化现象，导致水力性能显著下降，情况严重时会产生剧烈的振动和噪声，严重威胁机组的安全稳定运行，掌握轴流泵空化机理是工程实践中迫切需要解决的关键科学问题。为此，《轴流泵复杂湍流空化机理》针对轴流泵空化问题，总结作者团队十多年的基础研究成果，全面系统介绍空化概念及基本特性、轴流泵空化流理论基础、轴流泵空化数值模拟技术、轴流泵复杂湍流空化类型、轴流泵叶顶区多类型空化相互作用机制、轴流泵内复杂空化诱导压力脉动及调控等前沿技术。
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| 目錄：
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目录第1章 空化概述 11.1 空化定义 21.1.1 空化基本概念 31.1.2 空化特性 121.2 空化基本类型 141.2.1 游移空化 151.2.2 涡空化 151.2.3 附着空化 181.2.4 剪切层空化 201.3 空化对泵的影响 23参考文献 27第2章 轴流泵空化流理论基础 312.1 气泡动力学基本理论 322.1.1 气泡动力学方程的假设和基本条件 322.1.2 瑞利-普勒赛特方程介绍 332.1.3 基于R-P方程的空化模型 342.2 附着空化演化机制 362.2.1 附着空化失稳机制——回射流 362.2.2 回射流机制的补充研究 382.2.3 附着空化失稳机制——凝结激波 392.2.4 附着空化失稳机制——溃灭压力波 422.3 空化湍流相互作用 432.3.1 空化流场速度梯度与湍流脉动 432.3.2 空化两相混合物与湍流脉动 442.3.3 空化相变对剪切应力的影响 472.3.4 空化对湍流模型的影响 482.3.5 空化对涡动力特性的影响 512.4 空蚀及其预测 532.4.1 空蚀机理 532.4.2 空蚀载荷特征 562.4.3 材料损坏 562.4.4 空蚀数值预测方法 582.4.5 抗空蚀材料 632.5 泵空化相似理论 662.5.1 流动相似理论 662.5.2 泵空化相似换算 692.5.3 空化相似换算偏差分析 70参考文献 71第3章 轴流泵空化数值模拟技术 773.1 水力空化建模方法 783.1.1 控制方程 783.1.2 欧拉-欧拉方法 793.1.3 欧拉-拉格朗日方法 843.1.4 界面捕捉方法 873.2 空化湍流建模方法 903.3 轴流泵空化数值模拟案例 99参考文献 104第4章 轴流泵复杂湍流空化类型 1094.1 叶片表面空化 1104.1.1 叶片表面空化初生 1114.1.2 基于自由流线理论的叶片表面空化分析 1134.1.3 轴流泵内叶片表面空化特性 1154.2 间隙空化 1194.2.1 间隙空化主要类型 1194.2.2 角涡流动机制 1214.2.3 射流剪切层流动机制 1304.3 TLV空化 1334.3.1 TLV理论模型及预测 1334.3.2 轴流泵TLV空化特性 1444.4 其他空化形式 1524.4.1 回流空化 1524.4.2 旋转空化 155参考文献 156第5章 轴流泵叶顶区多类型空化相互作用机制 1595.1 叶片表面空化 1605.1.1 轴流泵叶顶空化特性 1605.1.2 考虑不同间隙的轴流泵叶顶空化演化机理 1655.1.3 叶顶泄漏流不稳定性机理 1765.1.4 S-TLV 1895.2 轴流泵尾缘PCV初生与发展 1995.2.1 轴流泵尾缘PCV的涡流结构和演化过程 1995.2.2 PCV的形成机理 2015.2.3 PCV的演化机制 2035.2.4 PCV干涉相邻流道 2065.3 复杂湍流与叶顶区空化的相互作用机理 2125.3.1 空化影响下的叶顶泄漏流动 2125.3.2 轴流泵尾缘PCV的涡动力学分析 217参考文献 231第6章 轴流泵内复杂空化诱导压力脉动及调控 2336.1 宏观水动力性能不稳定性 2346.2 叶顶多尺度空化诱导压力脉动机理 2366.2.1 轴流泵叶顶空化特性 2366.2.2 不同流量工况下的压力脉动 2446.2.3 不同空化数下叶顶空化演化诱导的压力波动特征 2466.2.4 轴流泵叶轮内压力脉动强度分析 2486.2.5 轴流泵叶顶区压力脉动信号特征分析与空化状态识别 2526.3 提高轴流泵空化性能的措施与方法 2596.3.1 降低nD 2596.3.2 合适的轮毂比 2616.3.3 合适的叶栅稠密度 2616.3.4 合适的叶片数Z 2636.3.5 翼型的选择与空泡校核 2636.3.6 叶片环量调控 2666.4 轴流泵空化抑制方法 2696.4.1 不同叶顶形状 2696.4.2 水射流结构 273参考文献 279
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第1章空化概述 1753年，著名数学家及物理学家欧拉（Euler）从理论上预言了液体内有可能发生空化，即水管中某处的压强降低到某一负值时，水将从管壁分离形成一个真空空间。这种现象应该予以避免[1]。受限于当时的工业发展水平，人们并未在实际生活中观察到这种现象。一百多年后，部分学者开始在实验室中研究这种现象，并用“cavitation”一词来指代。1888年，“cavitation”*次出现在英国物理学家LordRayleigh发表的一篇论文中[2]，其将空泡在液体中溃灭时产生压力变化的现象命名为“cavitation”[3]。随着船舶工业的发展，科研人员发现空化会降低船舶螺旋桨的性能，为此建造了世界上第一个空泡水洞来深入研究螺旋桨空化问题。1902年，在英国驱逐舰“眼镜蛇”（Cobra）号的螺旋桨上*次观察到空蚀损伤。此后，在水工结构与水力机械领域也陆续发现了类似现象，引起了水力机械行业的广泛关注[4]。 20世纪初，随着空化数概念的提出，众多学者开展了一系列试验研究以揭示空化现象的物理本质，并验证其对水力机械水动力性能的影响。在这一时期，发展了众多空化现象的**理论，如基于单泡的空泡动力学理论和**尾迹理论。在单泡的空泡动力学研究领域中，通常将空泡模型简化为球形，大幅降低了该领域在理论和试验研究方面的难度。在水力机械领域，一般采用**尾迹理论研究充分发展的空泡现象。进入21世纪后，计算机硬件和流体软件快速发展，推动了计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）的发展和应用。当前，采用数值模拟方法来预测工程问题中的空化现象及水动力性能已成为常见的科研手段。 空化是水力机械中的一种常见不良流体状态，常伴有振动和噪声产生，严重时还会破坏叶片，严重威胁机组的安全稳定运行。长期以来，空化一直是水力机械研究的热点和难点。近十多年来，众多国内外学者在该领域取得了重要研究进展和优异成果，但从微观层面掲示其物理本质并对其进行精准调控依然任重而道远。 1.1空化定义 自19世纪80年代*次研究空化现象以来，关于空化现象的研究成果层出不穷。法国学者Jean-Pierre Franc在其著作Fundamentals of Cavitation中定义：液体内局部压力降低时液体内部或液固交界面上蒸汽或气体空穴形成、发展和溃灭的过程称为空化。空化作为水动力学中的一种特殊现象，属于多相流的范畴，涵盖了湍流、相变、可压缩流动[1<）]、传热等多种复杂流动现象，是水动力学研究领域中的难题。在水动力空化中，一般认为空化是一种由于流体动力学因素，在液体内部或液体与固体界面上发生的液体及其蒸汽的相变过程和现象。在叶片式水力机械中，通常认为当液体温度一定且压力降低到某一临界值时发生汽化，同时溶解于液体中的气体析出，形成气泡（又称空泡、空穴）。这些气泡随水流运动到压力较高的地方后，泡内蒸汽将重新凝结，导致气泡溃灭。这种由压力变化导致的液流内空泡产生、发展和溃灭的过程，以及由此产生的一系列物理和化学变化称为空化。根据上述几个**空化定义可知，空化现象与液体介质的压力息息相关，属于一种气液两相之间的相变过程。 1.1.1空化基本概念 空化是一个复杂多变且抽象的过程，为使读者对其有一个初步的认识，常借助沸腾现象来帮助理解。以水中空化为例，其发展过程与水的沸腾现象十分相似，但两者的热力学路径完全不同。如图1.1中水的三相图所示，对水加热使其蒸汽压等于环境压力并发生快速蒸发的现象，称为沸腾。当液体中的环境压力降低至该温度对应的饱和蒸汽压以下时发生的汽化现象，即空化。尽管空化在表现上与沸腾十分相似，但沸腾的驱动机制是温度变化，而空化的驱动机制则是压力变化。因此，饱和蒸汽压是衡量流场中是否发生空化的重要物理参数。在空化研究中，常通过理论研究、数值模拟及试验研究来揭示空化初生。为了方便描述这一过程，相关学者通过试验研究并结合相关合理假设提出了两种典型的空化成核类型，这对理解空化初生有很大帮助。此外，介绍两个量纲为一的参数：空化数和泵汽蚀参数。其中，空化数是衡量空化严重程度的重要指标。泵汽蚀参数实为泵内空化数，用来评价泵汽蚀性能。以上四个参数为空化的四个基本概念，将逐一进行介绍。 1.饱和蒸汽压 饱和蒸汽压是空化过程中的一个重要流体物性参数。指定温度和压力下，在不含空气和其他物质的密闭容器顶部液体的蒸发过程中，单位时间内液体蒸发的分子数与蒸汽中凝结为液体的分子数相等（即达到了相变平衡态）时的蒸汽压被定义为指定液体在指定温度和外压下的饱和蒸汽压。从**热力学角度看，水的三相图（图1.1）中从三相点0到临界点c的*线代表液态和气态区域的分界线。穿过该*线代表此过程达到了可逆转换的平衡条件，即液体在饱和蒸汽压pv下发生蒸发和凝结，其中饱和蒸汽压是温度r的函数。图1.2为水的饱和蒸汽压随温度的变化*线。其中，当温度在298K时，水的饱和蒸汽压为2700Pa，而在373K（水的沸点）时，饱和蒸汽压等于标准大气压。因此，液体温度对空化的影响也十分重要。在一些特殊情况下，蒸发吸热会使局部液体的温度r低于环境液体温度T，此时相变发生时的实际温度为T’。这种温差被称为空化热延迟。当环境温度越接近流体的临界温度时，空化热延迟就越明显，此时热效应现象就越重要。比较典型的实例是热敏流体的空化现象。因此，环境压力和饱和蒸汽压之间的差异是衡量是否会发生空化的重要指标。 结合图1.3中水蒸气状态图来描述空化现象中的相变过程。其中，A点至临界点的*线为饱和液体线，临界点至5点的*线为饱和蒸汽线，p为压力，为摩尔体积，R为气体常数，T为温度，和6为范德瓦耳斯（vanderWaals）常数，分别修正分子间吸引力和分子自身占据的体积，C为比例常数，为参考温度。饱和液体线左侧为未饱和液体区，饱和蒸汽线右侧为过热蒸汽区，两者之间为湿饱和蒸汽区。未饱和液体区中的介质形态为液态，过热蒸汽区中的介质形态为气态，湿饱和蒸汽区中为气液混合态。假设液体在给定温度下发生空化，p>9图中*左侧*线即等温过程*线，局部流域液体压力逐渐降低，至J点时，压力降低至该温度对应的饱和蒸汽压。此时，液体从未饱和水状态达到饱和水状态，随后发生相变，进入湿饱和蒸汽区，当完全汽化后液体达到干饱和状态，即5点位置，之后便进入过热蒸汽区。受限于测量技术，目前很难直接准确测得空泡内部的压力分布，在理论分析和数值模拟中，通常假设空泡内部是均匀压力，且等于当前温度所对应的饱和蒸汽压。然而，实际相变过程中的压力是非恒定的，pv（7）*线并非液态和气态之间的绝对边界。当相变发生时，直线可能存在一定偏差，相变也有可能发生在低于八（7）的情况下。图1.3所示安德鲁斯（Andrews）等温*线，在湿饱和蒸汽区采用范德瓦耳斯状态方程近似表达相变时的压力值，其中M点就远低于。相变过程中压力的变化关系到空化初生，因此关于相变过程饱和蒸汽压的变化规律仍需深入研究。 2.空化成核类型 基于试验研究，很多学者认为空化初生是液体中存在的空化核引起的。空化核的形成通常有两种方式：均质化成核与异质化成核。液体中的分子因热运动而产生瞬时且微小的空隙，这些空隙可作为空化现象中宏观气泡生长和破裂的必要基础，构成空化核，此过程被称为均质化成核[2（）]。在水力机械中，空化初生普遍发生在液体和固体壁面之间的边界或液体与悬浮微小颗粒之间的边界上。当空化核在这些位置产生时则称为异质化成核。 均质化成核理论仅允许处理由分子热运动产生短暂空隙而引起的空化成核，如图1.4中NACA0009水翼上条纹空化均质化成核。然而，在实际情况中，空化成核多发生在液体和固体的交界处。当前分子理论已经发展到包含异质化成核的阶段，并可评估异质化成核相对于均质化成核的机会大小差异。但在实际液体中，少量的亚微米大小的杂质颗粒上也可发生异质化成核，因此在试验中很难准确区分异质化成核与均质化成核。 杂质气体中微米级大小的空泡（微小气泡）是异质化成核的关键。如图1.5所示，这些微小气泡存在于固体边界和悬浮颗粒的裂隙内，或者自由地悬浮在液体中。一方面，水中的微小气泡似乎是持续存在的，几乎不可能被完全消除。另一方面，也可能是由于交界面杂质的存在，这些微小气泡不能完全融合。尽管在实验室中可以消除少量样品中的大部分空化核，但在工程中难以实现。因此，液体中存在的空化核对大多数工程应用有着实际的影响，但具体影响比例不详^ 1）均质化成核 纯净液体中形成气体空隙的基础物理学研究是形成均质化成核理论的开创性工作[22]。随后，一大批学者创建了均质化成核的现代理论。本节主要介绍工程中广泛应用的简化均质化成核理论，忽略了复杂的热力学问题。 在纯净液体中，表面张力是分子间相互作用力的宏观表现，其作用使分子趋向于聚集在一起，从而抑制较大空穴的形成。液体对半径为的空泡施加的压力与空泡内部的压力存在关联: （1.1） 式中：S为表面张力。假设表面张力（即表面能量）的概念可以扩展到尺寸约为几个分子间距大小的空泡或空隙中[25]。 假定温度r恒定，且空泡内仅包含蒸汽，此时空泡内部压力PB等于饱和蒸汽压然而，为达到平衡，外部液体压力需满足且小于。因此，在外部液体压力保持恒定且略小于的情况下，空泡会不断膨胀，半径增大，导致驱动空泡增长的超压增加，最终引发空泡破裂。因此，当出现的空隙的最大尺寸为（称为临界半径或集群半径）时，液体的抗拉强度Apc为 （1.2） 式（1.2）即均质化成核理论三个基本关系式中的第一个。 为了产生一个临界半径为Rc的空化核或微小空泡，施加的能量增量一定要存储在纯
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