螺旋轴流式多相流泵内空化致气堵现象研究
轴流泵的空化研究
2020年第3期• 6 •轴流栗的空化研究王俊华潘绪伟李露露(上海凯泉杲业（集团）有限公司，上海；2018〇4)摘要：为了研究轴流泵内的空化流动，采用修正的R N G4-S湍流模型和Zwart空化模型对某一轴流泵空化流场进 行稳态数值模拟，得到了轴流泵的外特性曲线及空化性能曲线并和试验数据对比。
结果表明，修正的RNG A湍流 摸型能够较为精准地对轴流泵内的空化流动进行预测；随着汽蚀余量的降低，叶片背面压力梯度变大且分布紊乱，叶片出口位置处的湍动能强度越来越大且向叶片进口和相邻叶片工作面位置扩大；汽泡最先在叶片背面进口轮缘位置处 产生，然后向叶片背面进口轮毂位置和叶片背面轮缘位置处扩大。
关键词：轴流泵修正的R N G A-s湍流模型中图分类号：TH312 文献标识码：A引言轴流泵的流量一般较大，且时常运行在大流量 工况，极易在泵的进口产生空泡，发生空化。
空化 的产生对轴流栗的安全稳定运行是极其不利的，严 重者可能会使轴流泵的流量严重下降，同时伴随着 振动和噪声。
因此研究轴流泵内部的空化流动机理 至关重要。
轴流栗内部空化流动机理能否准确地进行数值 研究，湍流模型选取的准确性就显得尤为重要。
目前所采用的湍流模型主要是基于雷诺平均N-S方程 的涡粘模型，但在产生空化时，流体湍动能的产生 项和耗散项不平衡，所以采用一般的湍流模型不能 准确地对空化流动进行预测[1]。
为了寻找出可以准 确预测空化流动的湍流模型，国内外学者做了大量 研究工作。
SH Ahn等[2]通过修改RNG ^湍流模型的湍流粘度对三维NACA0015水翼进行空化预 测，取得了精准地预测效果。
采用RNG湍流模型对轴流低温泵进行空化流场计算，计算结果表明空化流场下的性能曲线与试 验的性能曲线极其接近。
F.J.Salvador等[4]基于 RNG湍流模型对柴油机内的喷嘴进行空化预测来评估不同雷诺条件的喷嘴特性。
Z Liu等[5]对采 用RNG揣流模型叶顶的间隙进行空化性能计算，计算结果表明RNG I s湍流模型可以精确地空化湍动能预测平均应变率与雷诺应力间的关系。
新一代螺旋轴流式多相泵的外特性试验研究
新一代螺旋轴流式多相泵的外特性试验研究孔祥领;朱宏武;张守森;李树德;丁矿【期刊名称】《水泵技术》【年(卷),期】2009(000)001【摘要】多相混输技术使得未经处理的多相井流或其它多相流体能够在无需分离的前提下实现长距离输送.作为多相混输核心技术之一,螺旋轴流式多相泵与其它多相泵相比具有独特优势,诸如排量大,结构简单、紧凑,对固体颗粒不敏感等.在创建新试验台的基础上,本文以中国石油大学(北京)自主研发的新一代螺旋轴流式多相泵为研究对象,在不同工况下对其进行外特性试验研究.叙述了新一代螺旋轴流式多相泵试验样机的基本特征及新试验台架的基本特点,通过试验测定了多相泵的运行稳定性及多相混输性能.实验表明,新一代螺旋轴流式多相泵能够输送单相或多相流体,并且测定了转速、进口含气率、吸入压力等参数对多相泵性能的影响.多相泵的性能随着转数和进口吸入压力的提高得到明显改善:增压提高,高效区变宽,最优工况对应的流量增大.当含气率升高时,多相泵内两相流体产生速度滑移,泵内流型发生转变,导致多相泵振动、性能不稳定,多相泵的增压能力降低.通过和前几代多相泵进行对比,总结了本多相泵性能的特征,为今后多相泵的设计提供了依据.试验研究发现人口气液混合程度的好坏对泵的外特性及工作稳定性有很大影响,文章最后讨论了在多相泵入口设置均混器的必要性以及试验所用均混器的基本特征.【总页数】6页(P7-12)【作者】孔祥领;朱宏武;张守森;李树德;丁矿【作者单位】中国石油大学(北京)机电工程学院,北京昌平,102200;中国石油大学(北京)机电工程学院,北京昌平,102200;中国石油大学(北京)机电工程学院,北京昌平,102200;中国石油大学(北京)机电工程学院,北京昌平,102200;中国石油大学(北京)机电工程学院,北京昌平,102200【正文语种】中文【中图分类】TH3【相关文献】1.螺旋轴流式多相泵油气混输试验研究 [J], 朱宏武;刘文霄2.螺旋轴流式多相泵长短复合静叶优化设计 [J], 马希金;崔生磊;张亚琼;张潮3.新一代螺旋轴流式多相泵的外特性试验研究及数值模拟(英文) [J], 孔祥领;朱宏武;李树德;张守森;季新标4.螺旋轴流式多相泵外特性实验研究 [J], 李清平;薛敦松5.螺旋轴流式多相泵的现场试验研究 [J], 朱宏武;李清平;陈骆;张金亚因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
螺旋轴流式多相泵的研究现状
螺旋轴流式多相泵的研究现状
宇富平;任爱菊;刘克强
【期刊名称】《石油矿场机械》
【年(卷),期】2004(033)B08
【摘要】多相混输技术是当今油气输送技术的发展趋势，而螺旋轴流式多相泵应用于油气水多相混输具有良好的性能。
它的最大优点在于对固体颗粒不敏感，能适应气塞和液体段塞。
另外，在高含气率(0％～93％)下，仍有良好的增压效果，在短时间内可在100％的气体下运行。
石油大学(北京)从1996年开始研究螺旋轴流式多相泵，研究了输送机理及结构设计、性能预测和内部能量交换及试验研究，到2003年，先后完成了3代原理机的性能试验研究。
其问做了许多国内开创性的研究工作，在叶片选型、扬程估算、性能预测模型的建立以及内部流动规律研究方面都具备了一定水平。
文章介绍了取得的研究成果、存在的问题以及对策。
【总页数】4页(P4-7)
【作者】宇富平;任爱菊;刘克强
【作者单位】河南石油勘探局机械制造厂，河南南阳473132
【正文语种】中文
【中图分类】TE933.301
【相关文献】
1.螺旋轴流式多相泵的研究现状 [J], 宇富平;任爱菊;刘克强
2.螺旋轴流式多相泵叶轮处流场计算 [J], 薄磊;李铁山;郭金钊
3.螺旋轴流式多相泵的多功能混输试验台设计 [J], 孔祥领;朱宏武;张明;高进伟
4.螺旋轴流式多相泵多级可压缩模拟研究∗ [J], 孔祥领;吕杨;高进伟;曹杉;朱宏武
5.螺旋轴流式多相泵长短复合静叶优化设计 [J], 马希金;崔生磊;张亚琼;张潮因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
轴流泵空化的危害和改进措施
轴流泵空化的危害和改进措施发布时间：2022-10-17T08:55:38.885Z 来源：《科技新时代》2022年4月8期作者：姚捷[导读] 本文主要对轴流泵空化的危害姚捷国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州215000摘要：本文主要对轴流泵空化的危害，以及现有的的相关工程实例所作出的改进进行分析，通过对轴流泵空化危害性和改进方式研究，从而提高轴流泵的流动效果。
关键词：轴流泵、空化、汽蚀、气穴、叶片、间隙1、概述轴流泵在我国南水北调工程、大中型泵站、船舶喷水推进和潜艇水下导弹发射装置等国家重大战略工程上具有广泛的应用。
当液体绕轴流泵叶轮叶片流动时，最容易引起局部压力降低并发生空化，引起叶片以及其他过流部件的空蚀破坏，影响泵的性能、运行稳定性并产生振动和噪声等影响。
由此可见，轴流泵空化问题已成为业界急需解决的难题之一。
2、空化对水力机械的危害空化对水力机械的危害主要体现在以下三个方面：水动力学影响、空蚀破坏以及振动和噪声。
关于水动力学影响，空化的各种水动力学影响都起源于空穴的出现破坏了液相流体的连续性。
当汽液两相相互转换时，液相的流态就发生改变，从而影响液体和其边界之间的相互动力作用。
在绝大多数情况下，空化的出现会增加水流的总阻力，限制或减小过流部件表面对液体的做功能力，从而使水力机械的运行性能降低，最典型的外在表现是扬程和效率的下降，其中扬程的下降是液体和转轮之间动量传递作用的有效性减少的标志，效率的降低是损失增大的标志。
关于空蚀破坏，液体空化形成的空泡随液流进入高压区或通过其它方式吸收足够的能量后就会坍塌、破裂，并在极短的时间内形成强烈的冲击波。
当溃灭过程在固壁附近发生时还会形成高速的微射流。
在微射流和冲击波的作用下造成固壁表面破坏、材料剥落，形成空蚀麻点，甚至造成孔洞、断裂等现象。
关于振动和噪声，空化引起的压力脉动传递到水力机组上就会引起机组振动，振动向空气中传播就会产生噪声。
螺旋轴流泵叶轮内气液两相流分离特性及气堵机理
螺旋轴流泵叶轮内气液两相流分离特性及气堵机理螺旋轴流泵是一种常用的泵类设备，在工业生产和生活中广泛应用。
而在泵的工作过程中，由于水中含有气泡，会造成叶轮内部形成气液两相流。
这种气液两相流在泵性能和运行稳定性方面都会产生一定的影响。
因此，研究螺旋轴流泵叶轮内气液两相流分离特性及气堵机理对于提高泵的效率和性能有着重要的意义。
首先，对于螺旋轴流泵叶轮内气液两相流的分离特性进行研究是十分必要的。
气液两相流在叶轮内部流动时会产生相互作用和干扰，导致流动性能下降，使泵的效率降低。
因此，了解气液两相流在叶轮内的分离情况对于提高泵的效率和稳定性是非常关键的。
叶轮内气液两相流分离特性的研究可以从两个方面来进行，一是通过理论模型进行分析，二是通过实验研究进行验证。
在理论模型方面，可以采用数值模拟的方法来研究气液两相流在叶轮内的流动情况。
通过建立数学模型，考虑气液两相流之间的相互作用和干扰，可以得到气液两相流在叶轮内的分布情况和分离程度。
进一步，可以优化叶轮的结构和参数，提高气液两相流的分离效果。
在实验研究方面，可以通过搭建实验装置，模拟螺旋轴流泵叶轮内的气液两相流动情况。
通过运用高速摄像技术，观察气液两相流在叶轮内的分离情况，了解气液两相流的流动规律和分离机理。
同时，可以通过改变叶轮结构和参数，验证理论模型的准确性，优化螺旋轴流泵的设计。
另外，研究气液两相流在叶轮内的气堵机理也是十分重要的。
由于气液两相流存在气泡，气泡容易积聚在叶轮内部形成气堵现象，导致泵的正常工作受阻。
因此，研究气堵机理有助于提高螺旋轴流泵的运行稳定性和可靠性。
气堵机理的研究可以从理论和实验两个方面进行。
在理论方面，可以通过建立数学模型来分析气堵现象的发生条件和机理。
通过理论分析，可以优化叶轮的设计，减少气堵现象的发生。
在实验方面，可以通过搭建实验装置，观测气液两相流在叶轮内的气堵现象。
通过改变叶轮的转速、入口流量和气体含量等参数，研究气堵现象的发生规律和机理。
螺旋轴流式气液混输泵内非定常气相迁移及团聚特性
螺旋轴流式气液混输泵内非定常气相迁移及团聚特性螺旋轴流式气液混输泵内非定常气相迁移及团聚特性随着现代工业的快速发展，气液混输技术在石油、化工、环保等领域中得到了广泛的应用。
螺旋轴流式气液混输泵作为一种有效的输送设备，其性能对于气相迁移及团聚特性的研究具有重要意义。
本文将对螺旋轴流式气液混输泵内非定常气相迁移及团聚特性进行探讨。
首先，需要认识到螺旋轴流式气液混输泵的工作原理。
该泵是一种采用轴向流动原理的输送设备，通过旋转叶轮将气体与液体混合并输送至目标位置。
在其工作过程中，气液两相经过泵叶片的作用，产生了各种复杂的非定常流动现象。
在螺旋轴流式气液混输泵内，气相迁移是一个非常重要的问题。
气体通常以气泡的形式存在于液体中，通过泵的作用将气泡带入液体中进行输送。
在非定常的流动过程中，气泡会随着液体的流动进行迁移。
研究气相迁移的特性可以帮助我们更好地理解泵的工作机制及优化其设计。
其次，团聚现象也是螺旋轴流式气液混输泵内的一个研究重点。
在气液混输过程中，气泡有可能与其他气泡或固体颗粒发生碰撞，导致气泡之间的聚集现象。
团聚现象会影响气液混输泵的性能和效率，因此需要对其进行深入研究。
随后，我们需要探讨非定常气相迁移及团聚特性的影响因素。
气相迁移受到泵的工作参数、气泡大小、液体流速等因素的影响；而团聚特性则受到气泡浓度、粒子浓度、液体粘度等因素的影响。
深入研究这些影响因素可以帮助我们更好地理解非定常气相迁移及团聚的机理，并为螺旋轴流式气液混输泵的设计与优化提供依据。
最后，我们需要认识到螺旋轴流式气液混输泵内非定常气相迁移及团聚特性的研究还存在一些挑战。
由于非定常流动的复杂性，研究中需要考虑气泡的形变、碰撞过程中的能量损失等问题。
同时，还需要结合实际的工程应用情况，对研究结果进行验证和修正。
综上所述，螺旋轴流式气液混输泵内非定常气相迁移及团聚特性的研究对于提高气液混输技术的效率和可靠性具有重要意义。
通过深入探索迁移和团聚的机理，我们可以优化泵的设计，提高其传输效率，并在实际应用中取得更好的效果。
螺旋轴流式油气混输泵内气液两相流动的研究
螺旋轴流式油气混输泵内气液两相流动的研究引言：油气混输泵作为一种重要的输送设备，在石油工业中具有广泛的应用。
它主要用于将油气混合物从井口输送到加工厂或储存设备。
而在油气混输泵内，气液两相流动是其中最关键的研究内容之一、本文将对螺旋轴流式油气混输泵内气液两相流动进行综述，并讨论其中的关键研究内容和挑战。
一、螺旋轴流式油气混输泵的基本原理螺旋轴流式油气混输泵是一种利用转子的旋转来产生流体压力的设备。
其工作原理与传统的离心泵有很大的不同。
在螺旋轴流式油气混输泵中，通过转子的旋转，使得油气混合物沿着螺旋排列的叶片流动，从而产生静压力和动压力，实现对油气混合物的输送。
二、螺旋轴流式油气混输泵内气液两相流动的研究现状目前，螺旋轴流式油气混输泵内气液两相流动的研究主要集中在以下几个方面：1.流动模式的研究螺旋轴流式油气混输泵内气液两相流动的第一步是确定流动的模式。
目前，已经有一些研究对螺旋轴流式油气混输泵内气液两相流动的不同模式进行了研究，并提出了相应的流动模型。
这些研究对于了解螺旋轴流式油气混输泵内气液两相流动的特点具有重要的意义。
2.气液两相流动的传输特性研究螺旋轴流式油气混输泵内气液两相流动的传输特性是研究的关键问题之一、在现有的研究中，主要关注气液两相流动的压降、流量和混合度等特性。
通过数值模拟和实验研究，可以获得气液两相流动的传输特性并为螺旋轴流式油气混输泵的设计和优化提供参考。
3.气液两相流动的稳定性和失稳性研究螺旋轴流式油气混输泵内气液两相流动的稳定性和失稳性是另一个重要的研究方向。
在实际运行中，气液两相流动往往会出现振荡、失稳等问题，对油气混输泵的运行造成影响。
因此，研究气液两相流动的稳定性和失稳性，可以帮助我们预测流动的性能，并提出相应的控制策略。
三、未来研究的挑战和展望目前1.气液两相流动的多相模型的建立和优化目前，螺旋轴流式油气混输泵内气液两相流动的多相模型在精确描述气液两相流动中仍存在不足之处。
螺旋轴流式多相泵的实验研究与优化设计
万方数据 万方数据 万方数据螺旋轴流式多相泵的实验研究与优化设计作者：李清平， 薛敦松， 李忠芳， 朱宏武， 班耀涛作者单位：李清平(中海石油研究中心技术研究部,北京,100027)， 薛敦松,李忠芳,朱宏武,班耀涛(石油大学,北京,100083)刊名：工程热物理学报英文刊名：JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICS年，卷(期)：2004,25(6)被引用次数：5次1.李清平螺旋轴流式多相泵原理机设计初探及其内部气液两相流动的三维数值分析 19982.赵宏螺旋轴流式多相泵的性能研究与叶轮内三维、有势、边界元数值模拟 20011.朱宏武.李忠芳螺旋轴流式多相泵对比实验研究[期刊论文]-工程热物理学报2004,25(4)2.朱宏武.李忠芳.李清平.ZHU Hong-Wu.LI Zhong-Fang.LI Qing-Ping螺旋轴流式多相泵流动参数设计值探讨[期刊论文]-工程热物理学报2005,26(6)3.肖翔.赵晓路.李清平.安维杰.XIAO Xiang.ZHAO Xiao-Lu.LI Qing-Ping.AN Wei-Jie油气混输中掺混器的研究与改进[期刊论文]-工程热物理学报2006,27(5)4.朱宏武.李清平.陈骆.张金亚.ZHU Hong-Wu.LI Qing-Ping.CHEN Luo.ZHANG Jin-Ya螺旋轴流式多相泵的现场试验研究[期刊论文]-工程热物理学报2007,28(4)5.赵宏.薛敦松.Zhao Hong.Xue Dunsong操作参数对螺旋轴流式多相泵性能的影响[期刊论文]-石油机械2000,28(4)6.朱宏武.刘文霄.ZHU Hong-wu.LIU Wen-xiao螺旋轴流式多相泵油气混输试验研究[期刊论文]-石油矿场机械2008,37(10)7.李清平.薛敦松.Li Qingping.Xue Dunsong螺旋轴流式多相泵外特性实验研究[期刊论文]-工程热物理学报2000,21(4)8.宇富平螺旋轴流式多相泵高速变速下多相输送性能的研究[期刊论文]-流体机械2004,32(7)9.李清平.薛敦松.朱宏武.李宗芳.LI Qing-Ping.XUE Dun-Song.ZHU Hong-Wu.LI Zong-Fang螺旋轴流式多相泵的设计与实验研究[期刊论文]-工程热物理学报2005,26(1)10.王涛.李清平.喻西崇.姚海元螺旋管内油水分离流场数值模拟分析[期刊论文]-中国海上油气2010,22(1)1.李松山.曹锋.邢子文海底油气多相混输泵的研究与应用[期刊论文]-流体机械 2011(3)2.张金亚.朱宏武.李艳.杨春基于正交设计方法的混输泵叶轮优化设计[期刊论文]-中国石油大学学报（自然科学版） 2009(6)3.张金亚.朱宏武.杨春.李艳.陈翠和.刘巍巍叶片式混输泵数值模拟及外特性试验[期刊论文]-石油机械 2010(2)4.苗长山.李增亮.李继志混输泵扬程与流量特性曲线的理论分析[期刊论文]-石油学报 2007(3)5.朱祖超.谢鹏.偶国富.崔宝玲.李昳小流量高扬程离心漩涡泵气液混输的设计和试验研究[期刊论文]-中国化学工程学报(英文版) 2008(4)引用本文格式：李清平.薛敦松.李忠芳.朱宏武.班耀涛螺旋轴流式多相泵的实验研究与优化设计[期刊论文]-工程。
螺旋轴流式多相混抽泵样机的实验评价
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泵内部空化研究现状与发展趋
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）。
大型轴流泵空化特性的数值模拟
大型轴流泵空化特性的数值模拟燕浩;刘梅清;梁兴;林鹏;吴远为【摘要】为了研究大型立式轴流泵内部的空化特性问题,选取幸福泵站中叶轮直径为2.80 m的机组作为研究对象,分别进行了试验研究和数值模拟,计算结果与试验结果相吻合,验证了数值模拟的准确性,得到该泵的汽蚀余量为4.86 m,临界空化压力为48.50 kPa.模拟结果表明:在泵的进口压力从47.00 kPa下降到42.00 kPa的过程中,空化持续长度从0.24迅速变化到1,空化迅速扩散至整个叶片;当流量大于设计值时,空化只发生在工作面靠近叶片进口边处,而当流量小于设计工况时,空化主要发生在叶片吸力面,且当液流角β'1小于翼型最大厚度处斜率所对应的角度α时,叶片吸力面形成1个空化区域,当β'1大于α时,叶片吸力面将会形成2个空化区域;当大型轴流泵发生空化时,增大进口压力至临界空化压力以上可以有效消除内部空化现象;通过调整运行流量至设计流量附近,可以有效减弱泵内部的空化程度.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2014(048)011【总页数】7页(P44-50)【关键词】轴流泵;空化;数值模拟【作者】燕浩;刘梅清;梁兴;林鹏;吴远为【作者单位】武汉大学动力与机械学院,430072,武汉;武汉大学动力与机械学院,430072,武汉;武汉大学动力与机械学院,430072,武汉;武汉大学动力与机械学院,430072,武汉;武汉大学动力与机械学院,430072,武汉【正文语种】中文【中图分类】TH311大型轴流泵是一种大流量、低扬程、高比转速泵型,是水利工程的重要组成部分,特别是城市排水泵站,除排放雨水外,还承担着城市生活污水、生产废水的排放任务,其安全稳定运行对国民经济可持续发展具有重要作用。
机组内的空化是影响泵站稳定与安全运行的关键因素,空化会对过流部件产生破坏,引起泵内流态发生改变,而流态改变又会加剧空化发展,甚至使机组无法正常工作,因此,对其内部的空化特性进行研究具有重要意义。
轴流泵叶轮内空化流动计算论文
轴流泵叶轮内空化流动的计算研究[摘要]首先通过轴流式模型泵外特性试验，确定了汽蚀性能曲线。
基于完整空化模型和混合流体两相流模型，对轴流式模型泵设计工况下叶轮内空化流动进行全流道数值计算。
选择空化开始发生、临界汽蚀点以及空化严重时3个工况比较分析叶轮内空化流动的发展情况。
计算获得了不同汽蚀余量时叶片背面静压、空泡体积组分分布和不同轴截面上的空泡体积组分分布。
当叶轮流道内发生局部空化时，不会影响到泵的能量性能；空化严重时，翼形叶栅的过流面积受到严重堵塞，泵的能量性能严重下降。
计算结果与外特性试验相吻合，较好地揭示了轴流泵叶轮内的空化流动的静态特征。
对比计算扬程和效率确定了空化的发展阶段，对于保障轴流泵稳定运行有一定指导意义。
[关键词]轴流泵叶轮空化流动计算研究中图分类号：th312 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）04-0303-02引言轴流泵广泛应用于农业排灌、城市供水、船舶行业及南水北调工程[1]。
近年来随着使用的增多，在保障轴流泵稳定运行方面，由于长时间运行、工作环境恶劣等原因，空化汽蚀和机组振动成为一个主要问题。
在空化诱发侵蚀、造成系统不稳定运行方面，许多专家曾作过深入研究。
对于轴流泵，空化现象是导致叶片裂纹、机组振动、扬程下降的一个主要原因，并影响整个系统运行的稳定性。
开展对轴流泵偏离设计工况下流道内空化流动的研究，揭示空化发生的位置和程度，可为提高轴流泵的汽蚀性能以及安全、稳定运行提供可靠的参考依据。
空化流动的本质是气液两相流动，气泡和液体之间有着非常复杂的动量和能量交换关系。
对于泵内空化流动的研究主要有试验和数值计算2种方法。
由于轴流泵结构的特殊性，使其内部空化流动试验存在许多困难，且空化的比尺效应在试验中尚无法有效地被控制[2]。
随着计算流体动力学的迅速发展，数值计算已成为预测水力机械内部空化流动的主要方法[3]。
国内有关学者[4]对轴流泵流道内的定常空化流动进行数值计算研究。
空化空蚀机理
中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院
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§4.1 空化与空蚀机理
1、空化的初生
不溶于水、肉眼看不见、直径大约在10-5到10-6cm的微小气泡， 统称气核（空化核）。 空化初生不仅取决于液体的状态（压力） ，而且还与液体本身 的特性有关（含空化核的多少），且后者是主因，但却很难控 制和度量。 空化核是导致空化的根本原因（内因），压力降则是外因。 “空化核”观点已被大量试验证明，也与所观察到的物理现象 相吻合。 空化核主要有以下三种存在形式：
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§4.1 空化与空蚀机理
空化核存在形式：
单独存在的微小气泡或微小气团
附着在不浸润固体颗粒上 的微气泡
固体边壁表面微裂隙中的微气泡
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§4.1 空化与空蚀机理
2、空化的发展
空化初生后，随着系统压力进一步下降，初生空化区将沿着 水流方向加长，沿着水流的垂直方向加厚，气泡在随流过程中进 一步长大。
A.热力熔化理论 所释放的大量热量使材料表面融化造成破坏。 B.氧化腐蚀理论 局部瞬时高温可过300℃，高温、高压作用下，促进汽泡对金 属材料表面的氧化腐蚀作用。
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3.电化作用理论
该理论的必要条件是有电流形成。
热电效应：冲击导致局部温度上升⇒产生温度梯度⇒ 热电偶，形成电流⇒电解作用使材料破坏。
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螺旋轴流式多相泵的气液混输特性
螺旋轴流式多相泵的气液混输特性在油气混输泵中,螺旋轴流式多相泵可在保证高含气率的流体输送的情况下兼顾高效率,是近年来油气混输技术的研究重点。
而气液两相的分离情况对该泵的输送性能影响较大。
所以研究螺旋轴流式多相泵内部气液两相的分离规律对提高泵的混输性能极为重要。
为了探究螺旋轴流式多相泵内的混输特性以及泵内气液两相流动的分离规律,借助FLUENT 15.0数值模拟软件对自主设计的螺旋轴流式多相泵进行模拟计算。
多相流模型选择mixure模型,气相为空气,液相选择水。
在探究螺旋轴流多相泵的混输特性过程中,分别假设气相为可压缩与不可压缩,并对泵进行模拟分析。
最终得到气液两相输送过程中的分离状态以及该分离导致的压力和速度分布情况。
发现当气液两相分离以后,气相将会聚集叶轮叶片背面出口处。
该聚集会会产生两种后果,一种是若聚集的气相随流体一起流动,气相聚集的地方会形成低压区。
当流体进入固定部件以后,会因为该低压区的存在而产生二次回流。
另一种是气相聚集以后不随流体一起流动而堵塞在流道内,这会使得叶轮对流体的做功能力急剧降低,严重影响泵的输送性能。
气液分离特性是螺旋轴流多相泵最重要的混输特性。
因此对气液分离机理进行研究,并从中获得降低气液分离的手段具有重大的研究意义。
通过改变气相直径,入口含气率以及气相的压缩性等条件,对流道内的流动参数进行监测,获得气液两相流动在流动过程中定量的变化规律。
再从流体受力的角度出发,分析了两相分离的具体原因以及影响分离的因素。
得出结论,气液两相因为离心力的作用而产生分离,气相受到的黏性力以及在分离初期受到的Basset力会抑制这种分离却无法制止。
而当两相分离以后,气液两相的不均匀分布产生的压力差将会增强两相之间的分离。
从计算结果来看,影响气液分离的因素有黏性、气相直径、压缩性、压力梯度、气液两相的相对速度等。
水泵空化数值模拟研究进展
水泵空化数值模拟研究进展曹玉良;贺国;明廷锋;苏永生;王小川【摘要】空化会导致水泵性能下降和寿命缩短.水泵空化的数值模拟是当前研究的热点之一.文中对空化数值模拟的方法进行了总结和分类,对Singhal,Zwart-Gerber-Belamri,Schnerr-Sauer和Kunz 4种空化模型,以及标准k-ε,RNGk-e和SST 3种湍流模型在水泵空化数值模拟中的应用情况进行了分析,对当前空化研究中的修正方法进行了简介,分析了当前空化数值模拟存在误差的主要原因.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2016(040)001【总页数】6页(P55-59,65)【关键词】水泵;数值模拟;空化模型;湍流模型【作者】曹玉良;贺国;明廷锋;苏永生;王小川【作者单位】舰船动力工程军队重点实验室武汉430033;海军工程大学动力工程学院武汉430033;舰船动力工程军队重点实验室武汉430033;海军工程大学管理工程系武汉430033;舰船动力工程军队重点实验室武汉430033;海军工程大学动力工程学院武汉430033;舰船动力工程军队重点实验室武汉430033;海军工程大学动力工程学院武汉430033;舰船动力工程军队重点实验室武汉430033;海军工程大学动力工程学院武汉430033【正文语种】中文【中图分类】O427.4曹玉良(1988- )：男，博士，主要研究领域为空化的数值模拟及空化信号检测*国家自然科学基金青年基金项目(批准号：51306205)、湖北省自然科学基金项目(批准号：2015CFB700)资助空化是自然界普遍存在的现象，是由于水体内压力过低而造成的.当水体内某点的压力低于该温度下水的汽化压力时，水体在该处就开始汽化，产生大量的气泡，当气泡流动到高压处时就会溃灭，并产生很大的瞬时压强.当大量的空泡在固体表面溃灭时，由于空泡溃灭所产生的高压就会反复地冲击固体壁面，从而对固体壁面造成破坏，这种现象称为空蚀.空化与空蚀是水泵在运行中常常遇到的问题，空化会使泵的扬程下降、效率降低，引起水泵的振动和噪声，并造成过流部件的腐蚀和破坏.由于水泵空化实验非常复杂、费用高昂，并且有很多细节无法观测，而计算机科学和计算流体力学的发展，使数值模拟成为空化研究的重要方法.目前，空化的数值模拟大多是基于N-S方程而进行的，利用N-S方程进行空化的数值模拟，可以考虑液体粘性、表面张力和不可凝结汽核等因素对空泡形成、发展和溃灭的影响.经过近30年的发展，基于N-S方程的空化数值模拟方法又衍生了很多子类，主要可分为界面追踪法和界面捕获法.界面追踪法认为气液两相具有明确的分界面，界面上压力恒等于饱和蒸气压，预先给定空泡面的形状和位置，通过空泡面的动力学条件，通过迭代计算最终确定气相和液相的界面.界面捕获法又可以分为两相流模拟方法和均相流模拟方法.对空化的两相流模拟方法常被称为两相流模型，运用两相流模型对空化进行数值模拟时，气体和液体都有自己的控制方程，通过建立气体和液体之间质量、动量和能量的交换方程，对两组方程进行耦合求解.虽然两相流模型更接近实际，但是由于其计算量非常大，目前仅有少数学者运用这种方法对空化进行研究[1].均相流模拟方法(均相流模型)认为气体与液体达到了动力平衡和热平衡，把气体和液体作为统一的可压流体进行研究，运用一组控制方程对气液的混合流体进行求解，是目前应用最为广泛的空化模型.根据气体和液体间质量传输控制方程的不同，均相流模型又可以分为基于状态方程的空化模型和基于输运方程的空化模型.基于状态方程的空化模型由Delannoy[2]提出，其认为流体是正压流体，流体密度是压力的单值函数，其具有计算速度快、收敛性好的特点.王巍等[3]运用基于状态方程的空化模型对NACA66翼型的空化流场进行了数值模拟，得到的压力系数与实验值符合良好，但其用该模型对混流泵的空化性能进行模拟时，得到的空化性能曲线下降很陡，且计算结果未得到实验验证.由于基于状态方程的空化模型中“流体密度-压力”函数过于依赖个人经验，且不能很好地捕捉空化旋涡流动特性，目前仅有少数学者采用状态方程对水泵的空化进行研究[4].目前被广大学者所熟悉的几种空化模型都是基于输运方程的，如Singhal空化模型[5]、Zwart-Gerber-Belamri空化模型[6]、Schnerr-Sauer空化模型[7]和Kunz空化模型[8]等.目前被广泛应用的大部分都是基于输运方程的均相流空化模型，如Singhal空化模型、Zwart-Gerber-Belamri空化模型、Schnerr-Sauer空化模型和Kunz空化模型等.2.1 Singhal空化模型Singhal等基于Rayleigh-Plesset方程推导出了Full Cavitation Model，考虑了水中不可凝结汽核、相变率和湍流脉动压力等对空化的作用，适合复杂空化流的计算，且数值稳定性、收敛性较好.该空化模型在国内得到了广泛的应用，常被称为全空化模型、Singhal空化模型等.甘加业等运用全空化模型对混流泵叶轮内的空化流动进行了数值模拟，预测了叶片上空化发生的区域、空化流动的发展情况和混流泵的扬程衰减曲线[9]；张文军[10]运用Fluent软件及Singhal模型对离心泵叶轮通道内的空化进行了预测，得到了空化流场的压力分布、空泡体积分数等；刘宜等[11]运用Fluent软件及Singhal空化模型预测了离心泵在设计工况下运行时流道内空化发生的位置和程度.然而上述几项研究中关于水泵空化的分析都没有实验验证.李文广[12]采用全空化模型计算了离心泵的“扬程-汽蚀余量”曲线，虽然趋势与实验结果一致，但是误差较大.张玉[13]利用全空化模型对高温高压的核主泵进行了数值分析，得出了空化的临界压力和临界温度.2.2 Zwart空化模型由于Zwart-Gerber-Belamri空化模型(简称Zwart模型)集成在CFX计算软件中，在水泵空化模拟时Zwart模型得到了越来越广泛的应用.Zwart模型也是基于Rayleigh-Plesset方程推导出的.王涛[14]利用CFX软件及Zwart模型对轴流泵的空化进行了模拟，计算了“扬程-进口总压”曲线和“泵效率-进口总压”曲线，但趋势与实验结果存在一定差别.常书平等[15]运用CFX软件和Zwart空化模型对一型喷水推进混流泵进行了数值模拟，计算了混流泵的“扬程-汽蚀余量”曲线，并对不同空化情况下叶轮内空泡体积分布做了对比分析，但是没有空化实验数据.赵宇等[16]采用FBM湍流模型和Zwart空化模，对一型单级轴流泵和一型串列泵空化特性进行了数值分析，计算得出的单级轴流泵空化特性曲线与实验结果吻合良好.赖喜德等[17]对一低比转速离心泵的空化余量进行了数值模拟，计算结果与实验误差小于10%.张德胜等[18]利用Zwart空化模型，通过对空化压力和湍流粘度的修正，使得计算得出的轴流泵的必需汽蚀余量与实验结果误差较小；此外，其还对某型轴流泵叶顶区的空化流场进行数值模拟，分析了叶片截面空穴分布和压力场的关系，并采用高速摄影技术对数值模拟结果进行了对比分析.2.3 Schnerr-Sauer空化模型Schnerr-Sauer空化模型将气泡数密度与气相体积分数耦合在一起对输运方程进行求解.刘厚林等[19]通过二次开发把Schnerr-Sauer模型和Kunz模型添加到CFX中，对比分析了Schnerr-Sauer模型、Zwart模型和Kunz模型在离心泵空化数值模拟中的适用性，发现Schnerr-Sauer模型的计算结果不如另外两种空化模型好.曹东刚等[20]基于ANSYS平台，采用Singhal模型、Zwart模型和Schnerr-Sauer 模型对以煤油为介质的文丘里管进行了数值模拟，讨论了3种计算模型的计算精度，发现Zwart模型计算精度较高，收敛速度较快.薛瑞等[21]运用Zwart、Schnerr-Sauer 及Singhal空化模型对方头体上空化流动现象进行了预测和对比分析，发现Schnerr-Sauer模型得到的壁面压力系数分布和实验值最为接近.虽然Schnerr-Sauer空化模型在水泵的空化数值模拟中应用不多，但是其常被用于螺旋桨的空化研究.2.4 Kunz空化模型与前面3种空化模型不同，Kunz空化模型运用2种不同的方法分别推导得出空化和凝结控制方程，其控制方程的具体形式为：该模型常被用于螺旋桨和水翼空化的研究[22]，但也有少数学者运用该模型对离心泵的空化性能进行模拟.目前国内大部分学者对水泵进行数值模拟都采用的是基于输运方程的均相流空化模型，其中Singhal空化模型和Zwart空化模型应用最为广泛，不少学者运用这2种空化模型对离心泵、轴流泵的“扬程-汽蚀余量”曲线进行数值计算，大部分的计算结果都与实验结果趋势一致，但是仍有不少研究对临界汽蚀余量的计算误差较大.部分学者通过考虑湍流脉动压力、修正湍流粘度等方面对空化模型进行了改进，使得计算精度得到了提高，部分计算得出的临界汽蚀余量与实验结果差别接近5%.对于泵内压力分布、气泡状态及分布等微观特性，由于实验及观测难度大，只有少数学者将计算结果与实验结果进行了对比，并且存在一定的差别.此外，在运用Singhal空化模型和Zwart空化模型对水泵空化进行模拟时，很多研究都存在着计算误差随流量变化而变化的情况.对于空化的数值模拟，除了要选择合适的空化模型，还要选择合适的湍流模型.目前国内学者对水泵空化进行数值模拟时常用的湍流模型主要有：标准k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ε模型.杨敏官等[23]采用标准k-ε模型和Singhal空化模型对一型比转数为130的离心泵进行了定常及非定常空化数值模拟，分析了叶轮内空化的发生区域和压力脉动，发现随着空化的发展，叶轮内压力脉动的幅值逐渐增加，却没有实验数据与之对比验证.RNG k-ε湍流模型及其修正模型在空化数值模拟有着较广泛的应用.刘宜等[24]采用RNG k-ε模型和Singhal空化模型对一离心泵在设计工况下的空化情况进行了数值模拟，预测了叶片容易发生空蚀的位置，但是上述研究未与空化实验进行对比验证.姬凯[25]以文丘里管为模型，对比分析了标准k-ε湍流模型、RNG k-ε湍流模型、Realizable k-ε湍流模型和SST k-ε湍流模型的适用性，发现RNG k-ε湍流模型的计算结果与高速摄像记录的实验数据更加一致，并采用RNG k-ε湍流模型对一型轴流泵的汽蚀性能曲线进行了计算，在80%设计流量时计算结果与实验值吻合较好.张博等[26]利用修正的RNG k-ε湍流模型和Zwart空化模型模拟了绕水翼的云状空化流动，发现修正后的湍流模型能够更准确的捕捉云状空穴形状和空泡脱落；此外，黄彪等运用基于RNG k-ε模型的FBM湍流模型对对绕Clark-y翼型的云状空化流动进行了模拟，研究表明采用FBM湍流模型能够较准确的模拟云状空化形态.也有不少学者运用SST湍流模型对水泵的敞水性能和空化性能进行了预测和分析[28].此外，其还利用SST湍流模型对涡轮泵在不同装置汽蚀余量时叶片表面的空泡分布进行了数值模拟[29-30].为了提高空化数值计算的精度，部分学者提出了空化数值模拟的改进和修正方法，主要有以下几个方面的改进：(1)湍流粘度的修正；(2)空化系数和凝结系数的修正；(3)考虑湍流脉动压力的影响；(4)最大水汽密度比的修正，五是考虑叶顶间隙的影响.在空化流中，存在着汽体和液体2种组分，由于汽体的存在，使得最初仅适用于单相流的湍流模型容易对湍流粘度过度预测，为了提高计算精度，很多学者都对湍流粘度进行了修正.目前对于湍流粘度的修正主要有2种方式，都借鉴参考了文献[21].第一种湍流粘度修正的公式为目前已有多位学者运用这种修正方法计算水泵的空化性能，如文献[19]等.第二种湍流粘度修正公式为这种修正方法容易使计算结果发散，目前应用还较少，文献[28]运用该修正方法较准确的预测了轴流泵的临界汽蚀余量.无论是Singhal模型还是Zwart模型，在描述气泡的蒸发和凝结时都有自己独立的经验系数.王柏秋等[32]针对空化模型中相变系数固定不变的情况，提出相变系数要随着外部条件的改变而改变，并通过对半球头圆柱体进行数值模拟对其推测进行了验证，但是其未能提出随着外界条件的改变空化系数改变的方法.刘艳等[33]分别运用Singhal模型和Zwart模型对二维水翼进行了研究，发现Zwart模型中空化和凝结系数对计算结果有较大影响，通过对空化和凝结经验系数的调节，最终都得出了较满意的结果.Mitja Morgut等[34]在运用Zwart，Singal和Kunz 3种空化模型对水翼空化进行数值模拟时，对3个模型中的空化和凝结系数进行了研究，得出了3种模型对水翼空化进行模拟时的最佳的相变系数.目前还较少有人研究在水泵空化模拟时相变系数的问题.很多研究和实验都表明压力脉动对空化流动有重要的影响[35]，Singhal等[36]提出用密度函数去考虑脉动压力的影响，将脉动压力对空化流动的影响简化为对空化压力的影响，并获得了较满意的结果.考虑压力脉动后，空化压力的表达式为：式中：pturb为脉动压力；ρm为混合密度；k为湍动能.国内不少学者，如前文提到过的曹树良、张德胜等在进行水泵的空化模拟时，都运用上述方法考虑了脉动压力对空化的影响，并且都获得了较为满意的结果.在CFX软件中，最大水汽密度比的默认值为1 000，施卫东等在文献[37]中指出该默认值偏小，影响了空化和凝结过程中的质量传输速率，与默认值相比，采用真实的水汽密度比计算得到的临界汽蚀余量与实验值更为接近.施卫东等[38]还分析了叶顶间隙大小对轴流泵空化特性的影响，其指出随着叶顶间隙的增大，轴流泵必须汽蚀余量也越大.张德胜等[39]对轴流在小流量工况下叶顶间隙泄漏空化进行了数值模拟，并与高速摄影结果进行对比，其研究表明，空化首先在叶顶间隙内出现，随着空化数的降低，叶顶泄漏导致空泡急剧增加，并在叶片尾部溃灭.当前的很多研究表明，对于水泵空化时的宏观特性，如扬程-汽蚀余量曲线、临界汽蚀余量、叶片空泡分布等，运用基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型(如Singhal模型、Zwart模型等)进行研究都存在一定的误差.Singhal空化模型和Zwart空化模型，都使用的是简化了的Rayleigh-Plesset方程，忽略了表面张力、粘性以及二阶时间倒数的影响，这是导致空化数值模拟产生误差的一个重要原因.此外，Rayleigh-Plesset方程是基于单个空泡推导出来的，若将Rayleigh-Plesset方程应用在泵内剧烈空化流动的数值模拟中，还需要进行深入研究.目前国内多数研究人员都是运用均相流模型去研究水泵的空化，并从多方面对均相流空化模型提出了改进方法，然而尚未得到较好地解决水泵空化计算误差较大的方法.【相关文献】[1]白泽宇,王国玉,黄彪.非均相流模型在非定常空化流动计算中的应用及评价[J].船舶力学,2013,17(11)：1221-1228.[2]DELANNOY Y, KUENY J L. 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齿轮泵发生空化时的气相动态演变过程及影响研究
齿轮泵发生空化时的气相动态演变过程及影响研究齿轮泵发生空化时的气相动态演变过程及影响研究摘要：齿轮泵是一种常见的液压传动装置，但在实际运行中，由于工作条件的改变，常常会出现空化现象，影响其工作效率和寿命。
本文通过实验研究，探讨了齿轮泵发生空化时的气相动态演变过程及其对泵性能的影响。
结果表明，空化现象导致气相体积增大、气泡数量增加，造成泵的吸入压力减小，流量减小，压力脉动加大，振动增加，严重时甚至会引起泵的堵塞和损坏。
因此，在实际应用中，需要采取一些措施，预防和减轻齿轮泵空化现象，提高其工作效率和寿命。
1. 引言齿轮泵是一种常见的液压传动装置，广泛应用于工程机械、船舶、冶金等领域。
齿轮泵的主要工作原理是通过转子的旋转，带动液体进出齿间，从而实现液体的输送和传动。
然而，在实际运行中，由于工作条件的变化，齿轮泵常常会出现空化现象，即在吸入侧产生气泡，影响其正常工作。
空化现象会导致泵的性能下降，降低输送效率，甚至引起泵的损坏。
因此，对齿轮泵发生空化时的气相动态演变过程及其影响进行研究，具有重要的理论和应用价值。
2. 实验方法在实验中，我们选取了某型号的齿轮泵进行研究。
首先，将齿轮泵安装在实验台上，并连接相应的仪器和设备。
然后，通过改变齿轮泵的工作条件，如转速、负载等，来观察齿轮泵发生空化时的气相动态演变过程。
同时，使用高速摄影技术和流体力学测试仪器对齿轮泵的气相分布、气泡数量和尺寸等进行实时监测和测量。
3. 实验结果与讨论根据实验数据分析，我们得出了以下几点结论：3.1 空化现象导致气相体积增大空化现象会导致液体中的气体变为气泡，气泡的存在使得液体的体积增大。
实验结果表明，随着齿轮泵工作条件的变化，气相体积逐渐增大，从而降低了泵的吸入效率。
3.2 空化现象导致气泡数量增加随着齿轮泵工作条件的改变，气泡在液体中的数量也随之增加。
实验结果显示，当齿轮泵工作在较大负载下时，气泡数量明显增加，进一步加剧了空化现象。
模型水泵水轮机的尾水管旋涡空化流动分析
模型水泵水轮机的尾水管旋涡空化流动分析Li Yixin;Zhou Daqing;Yu An【摘要】为研究水泵水轮机的空化性能,文章采用基于SST k-ω湍流模型和Zwart 空化模型的两相流计算方法,对某抽水蓄能电站的模型水泵水轮机进行定常计算,并将计算结果与试验结果进行了对比.对不同导叶开度下3个非设计工况的数值计算结果进行了对比分析,结果表明:随着流量增大,涡带形状有所不同,小流量工况下涡带形状较为复杂,中流量工况下涡带为螺旋形,大流量工况下涡带为柱状;涡带半径越来越小,涡带中心的压力越来越低,当涡带内部压力低于汽化压力时,就会产生空腔空蚀,反而使得效率下降.当转轮出口处外侧存在圆周速度分量,中心区域速度较小时,会形成涡带,交界区域速度急剧变化的位置与涡带半径相对应,涡带形状与速度分布情况有关.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2019(037)002【总页数】7页(P303-309)【关键词】模型水泵水轮机;Zwart空化模型;导叶开度;尾水管涡带【作者】Li Yixin;Zhou Daqing;Yu An【作者单位】;;【正文语种】中文【中图分类】TK7340 引言水能资源是我国重要的可再生能源[1]，由于其分布的广阔性和可利用性，水力发电成为目前最成熟的可再生能源技术，近年来仍是可再生能源发展的重点[2]。
其中，抽水蓄能电站具有调峰填谷和稳定电网的特点，可实现水电、风电、太阳能发电的协调运行，在可再生能源发展中具有极为重要的作用。
近年来，我国也在不断加大抽水蓄能电站的建设[3]。
空化是一种液体在恒温下由于压力下降使蒸汽空泡出现并发育，直到压力升高而空泡溃灭的全过程[4]。
空化现象的发生通常伴随着空泡溃灭的空蚀现象，从而引起水轮机过流部件的损坏、水轮机效率下降，甚至导致机组运行不稳定，对水轮机运行极为不利。
水泵水轮机作为抽水蓄能电站的核心部件，空化的发生严重影响了其寿命和运行稳定性。
水泵空化与空蚀分析研究
中国电力教育707水泵空化与空蚀分析研究林 斌*（葛洲坝集团第六工程有限责任公司，湖北 宜昌 443002）摘 要:空化与空蚀现象是水泵运行中经常出现的问题，一直以来受到广泛的关注。
本文分析空化与空蚀形成的原因、总结对空化性能进行评定的参数，并结合某水泵模型装置性能实验、对模型泵汽蚀实验方法的选取、数据的采集方式以及数据处理时的注意问题进行了分析研究。
关键词：水泵；空化与空蚀；数据采集*作者简介：林斌，男，葛洲坝集团第六工程有限责任公司，工程师。
空化与空蚀现象是影响水泵效率和使用寿命的重要问题之一，因其微汽泡急剧生长后随液流至高压处突然溃灭，对流道壁面产生高达几百个大气压的冲击，造成壁面材料剥蚀，汽泡的产生和发展改变了流道内的速度分布，使泵的效率下降、扬程降低，引起泵振动，产生噪声。
长时间的汽蚀会严重损伤叶轮等过流部件，因此对水泵空化与空蚀现象的理论研究具有重大意义。
同时，多年来在空化与空蚀方面做了大量的工作，但由于其现象的复杂性，对其认识还在不断深化之中。
由于空化与空蚀现象受到水流中含气量、压强分布、来流紊流度、粘性程度以及壁面物性等多种因素的影响，因此单从理论分析的角度研究空化与空蚀问题也是比较片面的，[1]还必须结合实验方面的研究，以便更好地分析研究在具体水泵运行过程中出现的问题。
近年来随着计算机技术的发展，数值模拟技术也开始应用于汽蚀问题的研究，如大连理工大学的王智勇利用FLUENT 软件进行了水力空化的数值模拟，[2]但只是在特定的文丘管里面进行水力空化研究，不具有普遍意义。
因汽蚀现象的复杂程度极高，精确的数值模拟难度还很大。
因此，实验方法是研究汽蚀问题最行之有效的办法。
本文对空化空蚀现象理论进行了分析总结，分析其原理，了解空化破坏的类型及对性能的影响，总结水泵的空化参数。
同时结合某水泵模型装置性能实验对模型泵汽蚀实验方法的选取以及水泵汽蚀性能的判定进行了分析总结，希望能为水泵空化与空蚀的研究提供一些经验。
螺旋轴流式多相混输泵叶轮域的能量特性
第３８卷 第７期Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．７史广泰螺旋轴流式多相混输泵叶轮域的能量特性史广泰，罗琨 ，刘宗库，王志文（西华大学能源与动力工程学院，四川成都６１００３９）收稿日期：２０１９－０４－２２；修回日期：２０１９－０６－１３；网络出版时间：２０１９－０８－２７网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１８１４．ＴＨ．２０１９０８２７．１０１３．０１０．ｈｔｍｌ基金项目：中国博士后科学基金特别资助项目（２０１７Ｔ１０００７７）；中国博士后科学基金面上资助项目（２０１６Ｍ６０００９０）；四川省教育厅科研重点资助项目（１７２４７０）第一作者简介：史广泰（１９８５—），男，甘肃会宁人，副教授，博士（ｓｈｉｇｕａｎｇｔａｉ＿１９８５＠１２６．ｃｏｍ），主要从事流体机械多相流流动理论研究．通信作者简介：罗琨（１９９３—），男，湖北黄冈人，硕士研究生（６５７５９８２２６＠ｑｑ．ｃｏｍ），主要从事叶轮机械内部流动理论研究．摘要：为了定量分析螺旋轴流式多相混输泵叶轮各区域的能量转换特性，在清水介质和气液两相介质下分别对螺旋轴流式多相混输泵进行数值模拟计算，通过分析叶轮域的能量变化规律来揭示流量和混输泵进口气体体积分数对多相混输泵叶轮各区域做功的影响规律．研究结果表明：叶轮所携带的机械能主要在叶轮中部传递给流体介质，大部分转换成了流体介质的静压能，且从叶轮进口到出口做功能力先增强后减弱；在清水介质下，随着流量的增大，叶轮前半部分做功能力逐渐增强，后半部分做功能力逐渐减弱；在气液两相介质下，随着进口含气率的增大，叶轮做功能力逐渐减弱，且进口含气率主要影响叶轮前半部分做功能力，而对后半部分影响较小．研究结果可为螺旋轴流式多相混输泵过流部件的优化设计提供一定的参考依据．关键词：多相混输泵；能量特性；做功能力；功率；数值模拟中图分类号：Ｓ２７７．９；ＴＨ３１１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－８５３０（２０２０）０７－０６７０－０７Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８５３０．１９．００９４ 史广泰，罗琨，刘宗库，等．螺旋轴流式多相混输泵叶轮域的能量特性［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０２０，３８（７）：６７０－６７６． ＳＨＩＧｕａｎｇｔａｉ，ＬＵＯＫｕｎ，ＬＩＵＺｏｎｇｋｕ，ｅｔａｌ．Ｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｆｌｕｉｄｉｎｉｍｐｅｌｌｅｒｏｆｈｅｌｉｃａｌａｘｉａｌ ｆｌｏｗｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＪＤＩＭＥ），２０２０，３８（７）：６７０－６７６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）Ｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｆｌｕｉｄｉｎｉｍｐｅｌｌｅｒｏｆｈｅｌｉｃａｌａｘｉａｌ ｆｌｏｗｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐＳＨＩＧｕａｎｇｔａｉ，ＬＵＯＫｕｎ ，ＬＩＵＺｏｎｇｋｕ，ＷＡＮＧＺｈｉｗｅｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ６１００３９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｉｎａｈｅｌｉｃａｌａｘｉａｌ ｆｌｏｗｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅａｎｄａｉｒ－ｗａｔｅｒｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｔｏｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙａｎａｌｙｚｅｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｆｌｕｉｄｓｉｎｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｂｙｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｎｇｔｈｅｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｏｆｆｌｏｗｒａｔｅａｎｄｉｎｌｅｔａｉｒｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｗｏｒｋｄｏｎｅｉｎｄｉｆｆｅ ｒｅｎｔｒｅｇｉｏｎｓｏｆｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｗｅｒｅｒｅｖｅａｌｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｉｓｍａｉｎｌｙｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｔｏｔｈｅｆｌｕｉｄｓｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｒｅｇｉｏｎｏｆｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒ，ａｎｄｔｈｅｍｏｓｔｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｉｓｉｎｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒ，ｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｃａｐａｃｉｔｙｏｆｄｏｉｎｇｗｏｒｋｆｉｒｓｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｓｆｒｏｍｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｉｎｌｅｔｔｏｔｈｅｏｕｔｌｅｔ．Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｆｌｏｗｒａｔｅｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｃａｐａｃｉｔｙｏｆｄｏｉｎｇｗｏｒｋｉｓｇｒａｄｕａｌｌｙｅｎｈａｎｃｅｄｉｎｆｏｒｅｐａｒｔｏｆｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｂｕｔｗｅａｋｅｎｅｄｉｎｒｅａｒｐａｒｔ．Ｕｎｄｅｒａｉｒ－ｗａｔｅｒｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｉｎｌｅｔａｉｒｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｃａｐａｃｉｔｙｏｆｄｏｉｎｇｗｏｒｋｉｓｄｅｇｒａｄｅｄｇｒａｄｕａｌｌｙ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｆｏｒｆｏｒｅｐａｒｔｏｆｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒ，ａｎｄｔｈｅｃａｐａｃｉｔｙｉｎｒｅａｒｐａｒｔｉｓｌｅｓｓａｆｆｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅｓｅｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｆｌｏｗｃｏｍｐｏ ｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｈｅｌｉｃａｌａｘｉａｌ ｆｌｏｗｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐ；ｅｎｅｒｇｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｗｏｒｋｃａｐａｃｉｔｙ；ｐｏｗｅｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 螺旋轴流式多相混输泵由于其整体结构简单、操作简易、对泥沙不敏感、使用寿命较长，且能有效防止气液两相的分离，大大降低生产成本而成为研究的热点［１］．螺旋轴流式多相混输泵由多个压缩单元组成，混合介质从高速旋转的叶轮上获得机械能，并利用导叶的扩散整流作用将流体的动能转换为压力能，同时调整两相流体的混合状态以满足下级叶轮入流条件，为下级压缩单元正常运行提供保证．螺旋轴流式多相混输泵在石油工业上进行油气混输时，气体的存在会使得混输泵效率低下、增压性能减弱等问题，最终使得在进行油气混输时混输泵的能量转换效率急剧下降．目前国内外学者对多相混输泵做了大量研究工作：崔伟等［２］对泵内部流场进行了数值模拟；张金亚等［３－４］提出了几种增强多相混输泵气液混合程度的方法，并通过试验手段进行了相关的可视化研究；马希金等［５］通过以自主研发的ＹＱＨ－１００型多级油气混输泵为研究对象进行数值模拟，发现间隙值递增变化、递减变化以及不变３种情况对混输泵的扬程、效率都有一定的影响，且递增趋势变化下的扬程、效率都高于其他２组；余志毅等［６］对叶片式混输泵叶轮内的气液两相流动进行定常和非定常数值模拟，发现气相旋涡是造成气体局部聚集的主要原因之一；文献［７－１０］对混输泵的水力模型进行了结构优化设计，使得混输泵的水力性能得到了提升；ＺＨＡＮＧ等［１１］提出了一种混输泵叶轮叶片的三维设计方法，经试验结果表明利用该种方法设计的叶轮拥有较好的水力性能；崔哲等［１２］、史广泰等［１３－１４］分别对泵的性能和做功能力进行了研究；ＺＨＡＮＧ等［１５］对多相混输泵在气液两相介质下不同叶顶间隙的压力脉动进行了分析，结果表明随着叶尖间隙的增大，压力脉动的主频和最大振幅均逐渐上升．由以上研究可知，目前国内外对混输泵内的能量特性的研究相对较少，对多相混输泵内能量变化的规律还有待进一步探讨，因此掌握多相混输泵内能量变化规律可为混输泵的水力性能优化提供一定参考．文中在纯水介质及气液两相介质下对螺旋轴流式多相混输泵进行数值计算，通过改变进口流量及进口含气率，对不同流量工况及不同含气率下多相混输泵沿轴向不同径向截面的能量变化规律进行分析，揭示流量及含气率对多相混输泵做功能力的影响，为提升螺旋轴流式多相混输泵叶轮的结构优化提供一定的理论指导．１ 模型建立及数值计算方法１．１ 几何模型和网格划分选用国内自主设计的六级轴流式多相混输泵模型为研究对象，该泵的设计性能参数分别为流量Ｑｄ＝１００ｍ３／ｈ，扬程Ｈ＝８５ｍ，转速ｎ＝３０００ｒ／ｍｉｎ，轴功率Ｐ＝３７．５ｋＷ．泵叶轮叶片数为３，导叶叶片数为７．为提高数值模拟的计算效率，在六级整体流道数值计算结果分析的基础上，简化为多相混输泵中的一个增压单元进行精细计算分析．计算域包括进口延长段、叶轮、导叶及出口延长段，其中进口延长段为叶轮轴向长度的２倍，出口延长段为叶轮轴向长度的６倍，所得计算流体域模型如图１所示．图１ 流体域Ｆｉｇ．１ Ｆｌｕｉｄｄｏｍａｉｎ文中进出口延长段流体域采用ＵＧ软件进行建模，叶轮和导叶的流体域采用专业的旋转机械建模软件ＢｌａｄｅＧｅｎ进行建模．进出口延长段采用ＩＣＥＭ进行六面体结构化网格划分，叶轮和导叶采用Ｔｕｒ ｂｏｇｒｉｄ进行结构化网格划分，所得到计算域网格如图２所示．图２ 流体域网格Ｆｉｇ．２ Ｇｒｉｄｐａｔｔｅｒｎｉｎｆｌｕｉｄｄｏｍａｉｎ６７１为提高计算结果的准确性，在设计流量工况纯水介质下对多相混输泵进行网格无关性验证，结果如图３所示．图３ 模型网格无关性验证Ｆｉｇ．３ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｇｒｉｄｓｉｚｅｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ由图３可以看出，随着网格数量Ｎ的增大，计算水力效率ηｈ变化逐渐趋于平稳，当网格数量超过２１０万时，水力效率基本保持不变，而此时的网格也满足所选湍流模型ｙ＋值的要求．考虑计算机的计算性能、计算时间及求解精度，最终选用网格总数为２１０万进行后续计算．１．２ 边界条件设置采用ＡＮＳＹＳ软件对计算域进行数值计算．在进行数值模拟时考虑计算时间及成本等，选用基于ＳＳＴ模型的ｋ－ω方程两方程湍流模型．ＳＳＴｋ－ω模型考虑了湍流剪切应力的传输，能够更加准确地预测流动的开始和负压力梯度下流体的分离量，使得该模型具有更广的适用范围，相比于其他湍流模型更具优势，所得计算结果可靠性更强．在纯水介质下湍流模型选用ＳＳＴｋ－ω模型，而在气液两相介质下，液相选用ＳＳＴｋ－ω湍流模型，气相选用零方程．叶轮域选用旋转坐标系，导叶和进出口前后延伸段设置为静止坐标系，动静交界面采用ＦｒｏｚｅｎＲｏｔｏｒ模式，而静叶轮与出口延长段选择Ｎｏｎｅ，即直接连接的方式．边界条件选用法向速度进口和压力出口，固壁处采用无滑移边界条件，近壁区采用Ｓｃａｌａｂｌｅ壁面函数，收敛精度设置为１．０×１０－５，采用ＳＩＭＰＬＥ方法进行压力与速度的求解．２ 研究方案为分析轴流式多相混输泵叶轮域的能量变化规律，将叶轮从进口到出口沿轴向均匀划分１１个径向截面，其中叶轮流体域进口面为截面１，出口面为截面１１，如图４所示．图４ 多相混输泵叶轮划分示意图Ｆｉｇ．４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎｓｉｎｉｍｐｅｌｌｅｒｏｆｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐ为了表示各截面上所具有的能量，定义多相混输泵叶轮各个截面上的功率为Ｐａ＝∫Ａｐａｖ·ｎｄＡ，（１）式中：积分符号内为功率密度；ｐａ为绝对坐标系下的总压力；ｖ为通过质量守恒方程求解得到的速度，ｎ为法向单位向量；Ａ为截面面积．由流体机械基本方程可知，多相混输泵中总压由静压和动压组成．为进一步分析多相混输泵叶轮内的能量变化规律，根据式（１）可将总功率分为静压功率和动压功率，即Ｐｄ＝∫Ａｐｄｖ·ｎｄＡ，（２）Ｐｓ＝∫Ａｐｓｖ·ｎｄＡ，（３）式中：Ｐｄ，Ｐｓ分别为动压功率及静压功率；ｐｄ，ｐｓ分别为绝对坐标系下的动压及静压．３ 计算结果及分析３．１ 纯水介质下叶轮不同径向截面能量变化图５为纯水介质时不同流量工况下多相混输泵叶轮沿轴向的截面功率变化曲线，可以看出：各流量工况下多相混输泵沿轴向各截面的功率变化趋势相近；叶轮域的前３个截面在小流量工况下功率整体呈现逐渐增大的趋势，且随着流量的增大，截面１到截面２区域功率增大的梯度逐渐减小，在大流量工况下功率呈现逐渐减小的趋势，而截面２到截面３的区域，随着流量的增大，功率由上升趋势转变为下降的趋势，在此区域，随着流量的增大，叶轮进口区域做功能力在逐渐减弱，因此随着流量的增大，截面１到截面３区域的功率由逐渐增大变为逐渐下降；从截面３到截面１１区域，不同流量工况下叶轮各截面功率均呈现逐渐增大的趋势，截面３到截面８叶轮域各截面功率快速增大，截面８到截面６７２１１功率的增幅在逐渐减小，说明叶轮的主要做功部位为叶轮中部，且大流量工况下功率增大的梯度明显大于小流量工况．图５ 纯水介质下多相混输泵叶轮沿轴向各截面的功率分布Ｆｉｇ．５ Ｔｏｔａｌｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｌｏｎｇｉｍｐｅｌｌｅｒｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ综上可知，叶轮所携带的机械能主要在截面３到截面１１区域传递给流体介质．通过式（２）和式（３）计算不同流量下多相混输泵叶轮沿轴向各截面的静压功率及动压功率，结果如图６所示．由图可以看出：各截面静压功率分布规律变化规律与总压功率变化规律相似，且各截面静压功率值明显大于动压功率值，说明多相混输泵叶轮的机械能主要转换成了流体介质的静压能；各截面静压功率与流量成正比，即随着流量的增大，各截面静压功率均有所增大，且在截面１到截面３区域静压功率与动压功率均出现较大的能量波动；在截面３到截面１１区域，静压功率与动压功率均处于不断增大的过程．图６ 纯水介质下多相混输泵叶轮沿轴向各截面静压功率与动压功率分布Ｆｉｇ．６ Ｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｐｏｗｅｒａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓａｌｏｎｇｉｍｐｅｌｌｅｒｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ为进一步研究叶轮域能量变化规律，对多相混输泵叶轮各区域输出功率的净能量变化进行分析，定义各区域净能量变化为相邻２个截面的能量差值．图７为不同流量下多相混输泵叶轮各区域输出功率的净能量变化曲线，可以看出：多相混输泵叶轮的前３个区域输出的净能量与流量成反比，且第１，２区域受流量影响较大，随着流量的增大，叶轮输出的净能量下降速率逐渐增大，说明在第１区域到第２区域叶轮做功能力较差；多相混输泵第４区域到第８区域叶轮净输出能量与流量成正比，即随着流量的增大，叶轮同一区域净输出能量逐渐增大，而第９区域和第１０区域净能量与流量相关性较小；当流量一定时，叶轮第２区域到第３区域的净输出能量逐渐增大，而第４区域到第１０区域叶轮的净输出能量逐渐减少，这也说明叶轮在第２区域到第３区域做功能力逐渐增大，第４区域到第１０区域做功能力逐渐减弱．图７ 纯水介质下多相混输泵叶轮各区域输出功率的净能量变化Ｆｉｇ．７ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｎｅｔｅｎｅｒｇｙｏｆｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒａｌｏｎｇｉｍｐｅｌｌｅｒｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ３．２ 气液两相介质下叶轮不同径向截面能量变化为分析气液两相介质下多相混输泵叶轮内能量变化规律，对设计流量下进口含气率α为５％，１０％，１５％及２０％的工况进行数值模拟，计算得到气液两相介质下多相混输泵叶轮沿轴向各截面的功率分布曲线，如图８所示．图８ 气液两相介质下多相混输泵叶轮沿轴向各截面的功率分布Ｆｉｇ．８ Ｔｏｔａｌｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｌｏｎｇｉｍｐｅｌｌｅｒｕｎｄｅｒａｉｒ－ｗａｔｅｒｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ６７３由图８可以看出：不同含气率时，叶轮截面１到截面３区域功率均呈现先增大后减小的趋势，在截面４到截面７，功率急剧上升，在此之后各截面功率增速逐渐放缓，这也说明在气液两相工况下多相混输泵的主要做功部位在叶轮中部；纯水介质下叶轮进口截面１与出口截面１１之间差值最大，随着进口含气率的增大，该差值在逐渐减小，这也说明了随着含气率的增大，叶轮的做功能力在逐渐减弱；在截面１到截面６区域各截面受含气率影响较大，而在截面７到截面１１区域叶轮各截面的功率受含气率影响不大，这说明含气率的存在主要影响叶轮前半部分的做功能力．图９为不同进口含气率时叶轮沿轴向各截面的静压功率分布及动压功率分布，可以看出：当进口含气率一定时，叶轮截面１到截面３区域的静压功率逐渐减小，动压功率先增大后减小，截面４到截面１１区域动压功率及静压功率均呈逐渐增大的趋势，且各截面的静压功率明显大于动压功率，这说明在气液两相介质下多相混输泵叶轮机械能主要转换成了流体介质的静压能；截面７到截面１１区域静压功率与进口含气率的相关性较小，叶轮其他截面的功率的静压功率随着进口含气率的增大而逐渐升高（见图９ａ）；在截面１到截面３区域动压功率与进口含气率的相关性较小，叶轮其他各截面的动压功率随着含气率的增大而逐渐降低（见图９ｂ）．图９ 气液两相介质下多相混输泵叶轮沿轴向各截面静压功率与动压功率分布Ｆｉｇ．９ Ｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｐｏｗｅｒａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓａｌｏｎｇｉｍｐｅｌｌｅｒｕｎｄｅｒａｉｒ－ｗａｔｅｒｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ图１０为多相混输泵在设计工况下不同进口含气率的叶轮各区域输出功率的净能量变化曲线，可以看出：第１到第２区域及第７到第１１区域输出功率均与进口含气率无明显的相关性，而在第３到第６区域叶轮各截面的静输出功率随着含气率的增大而逐渐降低，这说明随着含气率的增大，叶轮做功能力在逐渐减弱，也进一步说明了进口含气率主要影响叶轮中部的做功能力；除了第２区域叶轮输出功率值为负外，其他区域的输出功率均大于０，这说明该混输泵叶轮整体做功性能表现良好；在同一含气率下，第２到第３区域叶轮各区域的输出功率均在逐渐增大，而第４到第１０区域叶轮各区域的输出功率在逐渐下降，说明第２到第３区域叶轮做功能力在不断增强，第４到第１０区域叶轮做功能力在逐渐减弱，同时也说明叶轮从进口到出口做功能力先增大后减小．图１０ 气液两相多相混输泵叶轮各区域输出功率的净能量变化Ｆｉｇ．１０ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｎｅｔｅｎｅｒｇｙｏｆｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒａｌｏｎｇｉｍｐｅｌｌｅｒｕｎｄｅｒａｉｒ－ｗａｔｅｒｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ３．３ 叶轮径向截面功率密度变化规律为进一步分析各径向截面的产生能量变化的原因，选择能量变化较快的４个径向截面（截面３、截面５、截面７及截面９），在气液两相介质时分析其功率密度变化规律．图１１为设计流量工况时，不同进口含气率下各截面功率密度分布云图．由图可以看出：对于同一截面，随着进口含气率的增大，叶轮各截面的功率密度分布逐渐变差，这也验证了上面的结论，随着进口含气率增大，叶轮做功能力在逐渐下降；在相同含气率下，截面３的功率密度分布均较差，截面５及截面７的功率密度分布则变得较为均匀，而截面９的功率密度的均匀性略微变差，这说明在气液两相介质下叶轮进口区域做功能力较差，主要依靠叶轮中部进行能量的转换；叶轮同一截面在不同含气率下的密度分布规律较为相似，在不同进口含气率下截面１到截面１１的功率变化规律均较为相似，这说明不同含气工况下叶轮域的做功规律较为相似．６７４图１１ 设计流量不同进口含气率下各截面功率密度分布Ｆｉｇ．１１ Ｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙｃｏｎｔｏｕｒｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎｓｕｎｄｅｒａｉｒ－ｗａｔｅｒｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｔｄｅｓｉｇｎｐｏｉｎｔ４ 结 论１）纯水介质下，随着流量的增大，叶轮进口区域做功能力逐渐变差，叶轮出口区域做功能力逐渐减弱．叶轮前半部分随着流量的增大，做功能力逐渐增强，而在叶轮的中后部分做功能力逐渐减弱．叶轮所携带的机械能叶轮中部传递给流体介质，且主要转换成了流体介质的静压能．２）气液两相介质下，多相混输泵的主要做功部位在叶轮中部，且含气率变化主要影响叶轮前半部分的做功能力，而对叶轮后半部分的做功能力影响较小，且随着含气率的增大，叶轮做功能力在逐渐减弱．在气液两相介质下多相混输泵叶轮机械能主要转换成了流体介质的静压能．３）气液两相介质下，对于同一截面，随着进口含气率的增加，叶轮各截面的功率密度分布逐渐变差，且叶轮中部功率密度分布均较为均匀．４）文中初步对螺旋轴流式多相混输泵叶轮域的能量特性进行了分析，了解了叶轮域做功能力变化规律，但未进一步分析在两相流工况下流量变化对其能量特性的影响，因此后期可开展相关的研究，为进一步优化该水力模型提供借鉴．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］ 李清平，薛敦松．油气多相混输泵的开发研究［Ｊ］．中国海上油气，２０００，１２（１）：４７－５１．ＬＩＱｉｎｇｐｉｎｇ，ＸＵＥＤｕｎｓｏｎｇ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｏｉｌａｎｄｇａｓｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａｏｆｆｓｈｏｒｅｏｉｌａｎｄｇａｓ，２０００，１２（１）：４７－５１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［２］ 崔伟，高波，张宁，等．内射流对离心泵进口流场及压力脉动影响［Ｊ］．流体机械，２０１９，４７（８）：５７－６０，８８．６７５ＣＵＩＷｅｉ，ＧＡＯＢｏ，ＺＨＡＮＧＮｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｊｅｔｏｎｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａｔｉｏｎａｔｔｈｅｉｎｌｅｔｏｆａｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｆｌｕｉｄｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２０１９，４７（８）：５７－６０，８８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［３］ 张金亚，蔡淑杰，朱宏武，等．三级螺旋轴流式混输泵可压缩流场数值模拟［Ｊ］．农业机械学报，２０１４，４５（９）：８９－９５．ＺＨＡＮＧＪｉｎｙａ，ＣＡＩＳｈｕｊｉｅ，ＺＨＵＨｏｎｇｗｕ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｅｓｓｉｂｌｅｆｌｏｗｉｎａｔｈｒｅｅ ｓｔａｇｅｈｅｌｉｃａｌ ａｘｉａｌｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣＳＡＭ，２０１４，４５（９）：８９－９５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［４］ 张金亚，蔡淑杰，朱宏武，等．螺旋轴流泵内气液两相流型可视化研究［Ｊ］．工程热物理学报，２０１５，３６（９）：１９３７－１９４１．ＺＨＡＮＧＪｉｎｙａ，ＣＡＩＳｈｕｊｉｅ，ＺＨＵＨｏｎｇｗｕ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｉｎａｈｅｌｉｃｏ ａｘｉａｌｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐｂｙｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ，２０１５，３６（９）：１９３７－１９４１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［５］ 马希金，张贞贞，侯 华．多级油气混输泵轴向间隙变化对其性能的影响［Ｊ］．流体机械，２０１５，４３（４）：２８－３２．ＭＡＸｉｊｉｎ，ＺＨＡＮＧＺｈｅｎｚｈｅｎ，ＨＯＵＹｉｈｕａ．Ｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅａｘｉａｌｇａｐｃｈａｎｇｅｓｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｍｕｌｔｉｓｔａｇｅｏｉｌ－ｇａｓｍｉｘｅｄｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｆｌｕｉｄｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２０１５，４３（４）：２８－３２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［６］ 余志毅，刘影．叶片式混输泵气液两相非定常流动特性分析［Ｊ］．农业机械学报，２０１３，４４（５）：６６－６９，９５．ＹＵＺｈｉｙｉ，ＬＩＵＹｉｎｇ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｕｎｓｔｅａｄｙｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｉｎａｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｒｏｔｏｄｙｎａｍｉｃｐｕｍｐ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣＳＡＭ，２０１３，４４（５）：６６－６９，９５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［７］ ＫＩＭＪ，ＣＨＯＩＹ，ＹＯＯＮＪ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐｆｏｒｏｆｆｓｈｏｒｅｐｌａｎｔ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＫｏｒｅａｎＳｏｃｉｅｔｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓＢ，２０１４，３８（２）：１８３－１９０． ［８］ ＹＡＮＧＸ，ＺＨＡＮＧＪ，ＨＵＸ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆａｓｙｎｃｈｒｏｎａｌｒｏｔａｒｙｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｐｒｏｃｅｓｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４，２３０（２）：１３４－１４５． ［９］ ＳＵＨＪＷ，ＫＩＭＪＨ，ＣＨＯＩＹＳ，ｅｔａｌ．ＡＳｔｕｄｙｏｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐｆｏｒｏｆｆｓｈｏｒｅｐｌａｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｐｏｗｅｒ＆ｅｎｅｒｇｙ，２０１７：２３１（５）：３８２－３９７．［１０］ ＫＩＭＪｏｏｎ－Ｈｙｕｎｇ，ＬＥＥＨｉｍ－Ｃｈａｎ，ＫＩＭＪｉｎ－Ｈｙｕｋ，ｅｔａｌ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐｕｓｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｆｌｕｉｄｓｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，１３７（８）：０８１３０１．［１１］ ＺＨＡＮＧＹ，ＺＨＡＮＧＪ，ＺＨＵＨ，ｅｔａｌ．３Ｄｂｌａｄｅｈｙｄｒａｕ ｌｉｃｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｒｏｔｏｄｙｎａｍｉｃｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐｉｍｐｅｌｌｅｒａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｓｅａｒｃｈ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｓｉｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４：８０３９７２．［１２］ 崔哲，赵存生，魏云毅．叶轮口环间隙对离心泵性能和振动影响的试验研究［Ｊ］．流体机械，２０２０，４８（１）：１－６．ＣＵＩＺｈｅ，ＺＨＡＯＣｕｎｓｈｅｎｇ，ＷＥＩＹｕｎｙｉ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｗｅａｒ ｒｉｎｇｃｌｅａｒａｎｃｅｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｓ［Ｊ］．Ｆｌｕｉｄｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２０２０，４８（１）：１－６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１３］ 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螺旋轴流式油气多相泵的性能预测模型
螺旋轴流式油气多相泵的性能预测模型
班耀涛;赵宏;薛敦松
【期刊名称】《工程热物理学报》
【年(卷),期】2000(21)2
【摘要】本文建立的性能预测模型考虑了气相的可压缩性和沿流道的截面面积的变化，介绍了数值模拟的方法和步骤。
利用该模型讨论了几何参数和不同操作条件下对过流部件内含气率和静压分布的影响。
第一代多相泵实验的结果与预测结果相符。
在含气率小于３０％时，二者结果比较一致；在含气率大于４０％时，误差加大。
【总页数】4页(P187-190)
【关键词】螺旋轴流式;多相泵;性能预测模型;油气泵
【作者】班耀涛;赵宏;薛敦松
【作者单位】石油大学机电学院
【正文语种】中文
【中图分类】TE964;TH312
【相关文献】
1.螺旋轴流式油气多相泵的应用 [J], 薛敦松;朱宏武
2.螺旋轴流式多相泵高速变速下多相输送性能的研究 [J], 宇富平
3.螺旋轴流式多相泵高速变速下输送性能研究 [J], 宇富平;王琴彦;贾天俊;刘国萍;吕清波;房建春
4.螺旋轴流式多相泵试验及相似性能研究 [J], 张金亚;朱宏武;孔祥领;刘连强
5.螺旋轴流式多相泵性能预测研究 [J], 朱宏武;周丹;陈骆
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螺旋轴流式多相流泵内空化致气堵现象研究
螺旋轴流式多相流泵内空化致气堵现象研究
引言
螺旋轴流式多相流泵是一种常用的工业设备，广泛应用于石油、化工、电力等领域。
随着操作条件的变化，多相流泵内部可能会出现空化现象，导致气堵，影响其正常工作。
本文将对螺旋轴流式多相流泵内空化致气堵现象进行研究，旨在找到预防和解决气堵问题的有效方法。
一、螺旋轴流式多相流泵工作原理
螺旋轴流式多相流泵是一种离心泵的变种，其工作原理是通过螺旋叶轮的旋转将液体吸入并通过泵管输送，同时排出气体。
多相流泵在介质中含有气体、液体和固体颗粒，介质的复杂性使得多相流泵内部容易产生空化。
二、空化致气堵的成因
1. 压力变化：多相流泵的工作环境中，压力的变化是导致空
化的主要原因之一。
当介质压力突然下降或液体蒸发，液体中溶解的气体会迅速释放，形成气泡，阻塞泵内流体的正常传输。
2. 液体不稳定：多相流泵内的液体含有大量的固体颗粒，这
些颗粒的沉积和堵塞会导致液体不稳定。
当液体流速过快或液气界面不稳定时，容易出现空化现象，使气堵问题进一步恶化。
3. 不合理的操作：多相流泵的操作是一个复杂的过程，操作
不当也会导致气堵问题。
例如，过大或过小的进口流量、不稳定的转速、不适当的液体温度等因素都可能导致气堵问题。
三、提升多相流泵抗空化能力的方法
1. 设计改进：通过改进多相流泵的结构和设计，增加其抗空
化能力。
例如，优化叶轮设计，减小气液界面的摩擦和剪切力；
增加泵的内部密封装置，防止气体泄漏等。
2. 参数优化：合理设定多相流泵的工作参数，尽量避免出现
空化现象。
通过调整进口流量、控制流体的温度、增加泵的转速等方法，提高多相流泵的抗空化能力。
3. 清洁维护：定期对多相流泵进行清洗和维护，及时清除因
固体颗粒积聚而导致的堵塞问题。
另外，定期更换液体和气体的介质，也有助于减少空化现象的发生。
结论
多相流泵内空化致气堵现象是一个常见且严重的问题，影响了多相流泵的正常工作。
通过本文的研究，我们了解到空化致气堵的成因以及解决方法，包括设计改进、参数优化和清洁维护等。
在实际应用中，可以采取多种方法相互配合，提高多相流泵的抗空化能力，减少气堵问题的发生，确保多相流泵的正常运行
综上所述，多相流泵内空化致气堵问题的发生是由于气体在液体中的析出和聚集所导致的，进一步恶化了气堵问题。
为了提升多相流泵的抗空化能力，可以通过设计改进、参数优化和清洁维护等方法来解决。
设计改进方面，优化叶轮设计和增加内部密封装置可以减小气液界面的摩擦和剪切力，防止气体泄漏。
参数优化方面，合理设定工作参数，如进口流量、液体温度和转速等，可以尽量避免空化现象的发生。
清洁维护方面，定期清洗和维护多相流泵，及时清除固体颗粒堆积导致的堵塞问题，同时更换液体和气体介质也有助于减少空化现象。
通过采取多种方法相互配合，可以提高多相流泵的抗空化能力，减少气堵问题的发生，确保多相流泵的正常运行。