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空化产生的原理、危害和补救措施

CFD饭圈

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1. 什么是空化？

当局部静压下降到工作液体的蒸汽压以下时，就会发生空化现象，导致液体蒸发成蒸汽泡。这些气泡被困在小口袋里并顺流而下。当局部压力再次上升时，这些蒸汽泡会内爆，造成局部冲击波，这可能会损坏泵设备并导致异常噪音和振动。

图1：由于空化造成的叶片严重损坏

简单来说，空化是由泵内蒸汽泡的快速形成和崩溃引起的有害现象。让我们先了解空化的原因，然后再深入了解发现和减轻空化的方法。

2. 空化的原因

2.1 相变和平衡的物理

空化受相变和平衡的物理规律支配。当前的讨论以水为例，但同样的原则也可以扩展到其他纯物质。

水的沸点是373K，这意味着在373K和大气压下，水存在液-气平衡。事实上，我们可以找到一系列随着压力变化而变化的温度，这些温度下存在这样的平衡。这种相平衡在压力-温度（P-T）图上可视化，如图2所示。表面的投影在P-T平面上将给我们P-T图，如图3所示。

图2：水的三维相图

2.2 相变和空化

在泵入口上游，由于摩擦损失和加速，流动的静压下降。随着流体顺流而下，由于叶片厚度和入射角，压力进一步下降。

这个过程是等温的，即流体的温度不会改变。在图3中，该过程将沿着从上到下的垂直线进行，从B和C之间的液区开始。端点由起始压力和随后的压力下降决定。如果压力下降足够以至于端点穿过液-气线，那么就会发生活化。

图3：水的P-T相图

3. 空化与净正吸入头（NPSH）

空化通常用可用Net Positive Suction Head净正吸入头NPSHa 和泵无空化运行所需的Net Positive Suction Head Required净正吸入头 NPSHr 来定义。NPSHa 定义如下：

符号	意义
ps	泵入口的静压
pv	给定温度下液体的蒸汽压
ρ	泵入口处的流速
g	重力加速度
Cs	流体密度

尽管空化开始时的确切压力值很难预测，并且取决于很多因素。泵头下降3%时的净正吸入头 NPSH_3 则更容易测量，并且在泵的规格书中最常用来指示为避免空化的最小推荐NSPH。

4. 空化为何有害？

空化的主要影响之一是泵性能的下降。随着流动中空化分数的增加，泵产生的扬程会减少，如图5、6和7所示。

图5：空化起始，没有明显的扬程下降

图6：中等空化，泵头开始下降

图7：与3%的扬程下降对应的空化

空化还会导致额外的噪音和振动，这是由空化气泡内爆产生的高压脉冲引起的。这些内爆在kHz范围内产生宽带高频流体噪声。

空化也可能导致如图9-12所示的结构损伤。

图9：由于空化导致带护罩叶轮的侵蚀

图10：叶轮中的空化损伤

图11：叶轮因空化而损坏

图12：扩散器叶片中的空化侵蚀

图8显示了不同质量流量下的完整扬程下降曲线。在这里，流量和产生的扬程都已使用设计点扬程和设计点质量流量进行了归一化。还添加了额外的曲线来显示空化起始σi，扬程下降开始σo，1% 扬程下降σ1 和3% 扬程下降σ3。在这里，σx 定义如下：

符号	意义
NPSHx	净正吸入头
g	重力加速度
u₁_a	护罩处入口叶片速度

图8：不同质量流量下的扬程下降曲线

5. 空化发生在哪里？

空化是非常常见的现象，可能发生在任何泵的入口压力不合适或组件设计不良的情况下。对于离心泵或混流泵，空化通常发生在叶轮或诱导器的入口处。对于轴流泵，空化也发生在靠近入口的叶片尖端靠近护罩处，有时也发生在叶片吸力侧的中间，如图13所示。

图13：使用 (SST) k−ω 湍流模型和两相流显示的轴向叶轮不同入口压力下的空化区域，显示为蒸汽分数

6. 如何避免空化？

避免空化的方法取决于空化的类型、位置和强度。根据空化损伤模式或空化位置的一些建议原因和补救措施如下：

措施如下：

空化模式位置/特征	原因	解决方案
附着空化和/或在吸入侧靠近前缘观察到的损伤。	入射角过大，不利的前缘轮廓。	流线角和叶片角不匹配，因此增加流量、在流中引入预旋转，或使用入口环增加轴向流速将减少空化。
吸力侧的长厚腔体以及在远离前缘的叶轮通道内观察到的涡流脱落。损伤观察到在远离前缘的吸力侧叶轮通道内。	可用的吸入头太低，入射角过大。	通过增加流量来增加流速，在叶片上钻孔以允许从吸力侧流向压力侧。
压力侧的附着腔体，在靠近护罩的前缘附近观察到损伤。	不利的前缘轮廓，过大的流量。	降低流量，削减叶片并在压力表面上进行轮廓加工。
由于流动回流，在叶轮通道内产生的腔体云。	由于叶轮直径大、流量低和叶片角度高（较大的角度意味着叶片更子午面）导致流动剧烈减速。	增加流量，通过磨削改善前缘轮廓。
未封闭叶轮中的间隙空化。	高叶片载荷。	在压力表面上使叶片边缘变圆。

7. 减少空化及其影响的一般原则

除了上述解决方案外，所有与空化相关的损伤都可以通过使用以下一种或多种方法来减少：

增加入口压力始终是最好的解决方案。足够的入口压力可以减少甚至消除空化，但并不总是可行。
在高速应用中，如果增加入口压力不可行，则可以使用诱导器。诱导器可以处理一定量的空化，并且当流动到达叶轮入口时，空化气泡通常被抑制，入口压力足够增加以避免主叶轮内的主要空化。
对于非常高速度、质量关键的应用，如火箭涡轮泵中预期的应用，使用更耐空化的材料，如高强度镍铬钢或钛或Inconel。

图14：在叶片吸力侧靠近前缘的附着腔体

图15：由于空化体积大，叶片切割的涡流绳，材料损伤潜力很大

来源：CFD饭圈

【研究前沿】CFD模拟不同金属焊接的熔池形状

这篇文章是2024年发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》。本文通过使用高精度的CFD模型，模拟了不同金属焊接过程中的化学混合和熔池形状。研究重点在于理解焊接过程中元素分布和温度变化，这对于准确预测焊接接头的微观和宏观机械性能至关重要。研究内容模型和框架：研究考虑了质量、动量和能量方程，假设为层流以简化问题。采用体积分数（VOF）技术捕捉元素分布和界面。研究中考虑了铁（Fe）、铬（Cr）和镍（Ni）三种元素。实验和模拟设置：基于Akyel等人的实验数据进行模型验证和分析。实验使用Trumpf TruDisk 16002激光机，激光功率为5 kW，激光在基底材料上的焦距为600 μm。填充材料实施：在计算域内将填充材料表示为静态区域，并评估了三种不同的填充材料实施策略。结果分析：研究了填充策略、材料属性估计方法以及界面特性对模拟结果的影响。特别关注了热毛细效应和扩散对混合和焊缝几何形状的影响。研究结果填充策略和成分：通过比较不同填充策略对铁含量的影响，选择了第二种填充实施策略，因为它在厚度上保持了一致的铁含量，类似于实验结果。流动分析和孔洞形成：研究了不同粘度对熔池流动和孔洞形成的影响。发现粘度变化对熔池流动和气泡形成有显著影响。热毛细效应：热毛细效应对成分和熔池形状有显著影响。研究发现，增加表面张力梯度可以增强混合，但过高的表面张力梯度可能导致金属/空气界面处形成空腔。扩散和混合：研究表明，扩散通量远小于总通量，表明扩散对焊接过程中的元素混合影响较小。然而，扩散在熔池边缘的均匀化效应是显著的。来源：CFD饭圈