許彬,劉克洋,沈熙,王浩,張德勝

(江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著中國航空航天事業(yè)在深空探測領域的不斷發(fā)展,開發(fā)具有大推力、高比沖的液體火箭發(fā)動機已成為航空航天裝備戰(zhàn)略發(fā)展方向之一[1].該發(fā)展方向使得液體火箭發(fā)動機核心部件渦輪泵的轉速不斷提高,并且泵入口壓力不斷降低,導致渦輪泵在運行過程中容易發(fā)生空化,進而引起液體火箭發(fā)動機發(fā)生故障[2].為了提高渦輪泵的抗空化性能,通常在渦輪泵前加裝誘導輪對來流進行增壓.誘導輪具有葉柵稠度高、沖角小、流通面積大等特點,即使在局部發(fā)生空化的工況下也可以進行正常工作而不易發(fā)生堵塞,因此具有較好的抗汽蝕性能.渦輪泵內空化流動帶來的危害主要集中在誘導輪上[3].

此外,以液氧[4]、液氮[5]、液氫[6]為代表的低溫介質因其具有無毒無污染的優(yōu)勢,逐漸成為液體火箭發(fā)動機的主流推進劑.這類低溫介質發(fā)生空化時受熱力學效應影響,其空化特性與常溫水不同.目前關于誘導輪內低溫介質的空化熱力學效應研究較少,還沒有一套完善的理論進行定量評價.

綜上所述,對誘導輪內不同流體介質空化熱力學效應進行研究不僅可以促進空化動力學學科的發(fā)展和完善,而且可以提升液體火箭渦輪泵的設計水平,具有重要的學術和工程應用價值.文中首先綜述熱力學效應的理論研究現狀,然后進一步對誘導輪內不同流體介質空化熱力學效應的試驗和數值模擬研究現狀進行綜述,并對誘導輪內空化熱力學效應研究的發(fā)展趨勢進行展望.

1 熱力學效應理論

熱力學效應源于常溫液體和低溫液體之間物理屬性的巨大差異,不同流體介質的物理屬性如表1所示,表中T為工作溫度,LGR為液氣密度比,λ為導熱系數.

表1 不同流體介質的物理屬性

有2個物理參數值得注意,分別是液氣密度比和導熱系數.以液氫為例,液氣密度比約比水小3個數量級,導熱系數約為水的16.8%,也就是說,要產生相同體積的氣相,需要汽化更多的液氫.因此,相變時的汽化潛熱是不能忽視的.一方面,極低的導熱系數將阻礙液體區(qū)和空化區(qū)之間的熱傳遞,導致空化區(qū)的溫度明顯下降. 另一方面,液體的飽和蒸氣壓對溫度變化非常敏感.空化區(qū)的溫度下降導致了飽和蒸氣壓的降低.飽和蒸氣壓的降低反過來又阻止了空化的進一步發(fā)生,直到它達到動態(tài)平衡.由于空化區(qū)的溫度下降而產生的獨特特性被稱為熱力學效應.通常用B因子表征熱力學效應.

1.1 B因子理論

STAHL等[7]首次提出B因子理論,定義B因子為蒸發(fā)過程中的蒸氣體積和液體體積的比值,基于氣液相變過程中的能量守恒,B因子表達式為

(1)

其中

(2)

式中:Vv為蒸氣體積;Vl為液體體積;ΔT為溫降;ρv為氣體密度;ρl為液體密度;hfg為汽化潛熱;cpl為液體等壓比熱容.

GELDER[8]基于半經驗公式發(fā)展了B因子理論,表達式為

(3)

式中:α為熱擴散系數;v為自由來流速度;D為特征長度;Δx為空化區(qū)長度;m,n,z取決于熱傳遞過程,通過試驗得到;下標ref表示參考值.

HORD[9]基于空化區(qū)的對流換熱進一步發(fā)展了B因子理論,表達式為

(4)

式中:υ為運動黏度,υ=μ/ρ;E1,E2,E3和E4取決于對流換熱過程,通過試驗獲得.

之后,HORD考慮流體表面張力和聲速的影響,進一步完善了B因子表達式,即

(5)

其中

(6)

式中:al為液體中的聲速;av為蒸氣中的聲速;σ為空化數.

HOLL等[10]基于霧沫夾帶理論發(fā)展了B因子表達式,即

(7)

其中

CQ=C1ReaFrb(Δx/D)c,

(8)

CA=C2(Δx/D)d,

(9)

式中:Pe為佩克萊數;Nu為努塞爾數;Re為雷諾數;Fr為弗勞德數;Δx/D為量綱一化空化長度;a,b,c,d,C1和C2為經驗系數,通過試驗確定.

FRANC等[11]認為空化區(qū)是氣液兩相混合區(qū),將B因子改寫為

(10)

其中

(11)

式中:e為空化區(qū)厚度;δ為熱邊界層厚度;α為熱擴散系數.

1.2 Σ系數理論

與B因子不同,Σ系數是從空泡動力學角度推導得出.BRENNEN[12]對單個氣泡進行動力學和傳熱分析,并首次提出熱力學參數Σ,即

(12)

式中:ρv為氣體密度;ρl為液體密度;hfg為汽化潛熱;cpl為液體等壓比熱容;T為溫度;α為熱擴散率.

熱力學參數Σ是一個只與介質溫度和物理參數有關的物理量,它是根據單個氣泡的動態(tài)特性提出的,可以用來評價熱力學效應對空化氣泡生長的影響程度.熱力學參數是否適用于宏觀的復雜流場,特別是旋轉機械如誘導輪的內部流場,還有待驗證.

此外,美國航空航天公司的EHRLICH等[13]基于Rayleigh-Plesset方程,利用邊界層積分法,提出一種新的與熱力學效應相似參數DB,即

(13)

式中:R為誘導輪輪緣半徑;Ω為誘導輪輪速.DB的適用性有待進一步驗證.

2 誘導輪內空化熱力學效應試驗

2.1 以水為介質

2006年,意大利比薩大學的CERVONE等[14]基于空化泵旋轉動力測試設施(cavitating pump rotordynamic test facility, CPRTF)進行了誘導輪空化流動相關試驗研究,觀察到了空化喘振以及旋轉失速等流動不穩(wěn)定現象,并且這些現象與水溫有一定的關聯(lián)性,具體的關聯(lián)關系有待進一步研究.之后,TORRE等[15]也基于CPRTF, 針對不同流量系數和來流溫度進行誘導輪空化試驗,結果表明,在流量系數保持不變的情況下,升高水溫,空化區(qū)的增長會受到抑制.

2009年,美國航空航天公司的EHRLICH等[16]為了研究火箭渦輪泵誘導輪內的空化現象,搭建了空化可視化試驗臺,在不同的轉速、流量系數和水溫下分別對誘導輪進行空化試驗,驗證了熱力學效應相似參數DB的有效性,并進一步探究熱力學效應對空化不穩(wěn)定性的影響.試驗結果表明:水溫升高,誘導輪的吸入性能提高;DB值增大,誘導輪的抗汽蝕性能提高,即熱力學效應增強.對比不同水溫下的壓力脈動頻譜圖發(fā)現,在高溫水中,旋轉空化頻率完全消失,在低頻階段,空化不穩(wěn)定現象壓力振蕩的振幅減小,這些都表明了熱力學效應對誘導輪空化不穩(wěn)定性有顯著的抑制效果.

2015年,北京航空航天大學的LI等[17]搭建了誘導輪空化性能試驗臺,針對不同流量以及不同葉頂間隙下的誘導輪進行空化試驗.為了研究空化不穩(wěn)定性,分別在誘導輪進出口處安裝壓力傳感器,監(jiān)測進出口壓力變化.試驗結果表明,同步旋轉空化在大葉頂間隙條件下可以被抑制,在最大流速下幾乎完全消失.

2016年,韓國首爾大學的KIM等[18]研究了熱力學效應對臨界空化數和旋轉空化的影響,發(fā)現了2種空化不穩(wěn)定性,包括旋轉空化和非對稱附著型空化.結果表明:隨著溫度升高,熱力學參數增大,旋轉空化的臨界空化數減小,但空化數較低時,臨界空化數不受熱力學參數變化的影響.當熱力學參數增大到0.54時,旋轉空化的臨界空化數與熱力學參數無關.揚程系數的下降與旋轉空化密切相關,不受溫度的影響.

2018年,浙江理工大學的CUI等[19- 20]搭建了誘導輪可視化試驗臺,研究高速誘導輪內空化演變規(guī)律.將空化過程分為空化初生、空化發(fā)展以及空化惡化3個階段,在空化初生階段,誘導輪葉片前緣出現葉頂泄漏渦空化;在空化發(fā)展階段,誘導輪流道內同時出現多種空化形態(tài)包括葉頂泄漏渦空化、片狀空化以及云狀空化;在空化惡化階段,誘導輪流道內充滿大量空泡,泵的揚程和效率急劇下降.

2020年,XIANG等[21]針對誘導輪內空化熱力學效應進行試驗研究,基于不同的流量和水溫條件,研究空化熱力學效應的影響. 試驗結果表明:在無空化的工況下,水溫對水力性能沒有明顯的影響,但在有空化的工況下,水溫對誘導輪的空化性能影響顯著,空化性能斷裂點明顯延后,體現了熱力學效應對空化的抑制作用.熱力學效應的強弱與流動工況直接相關.與此同時,嘗試引入一種半經驗的理論模型來定量預測熱力學效應對空化性能的影響,在小流量工況下預測結果與試驗結果較為接近,驗證了該模型在一定試驗條件下的可靠性.

2021年,WANG等[22]進一步研究了水溫對于誘導輪空化特性的影響.在非空化條件下,得到與文獻[21]同樣的結論,即水溫對水力特性影響較小.在空化條件下,進一步研究了空化發(fā)展過程與壓力脈動之間的關系.較高的水溫對于空化發(fā)展誘導的壓力脈動有著顯著的穩(wěn)定作用,特別是較高溫度下,超同步旋轉空化和同步旋轉空化的初始空化數均降低,相應頻率不受影響,而幅度明顯減小,這顯示了熱力學效應對空泡的發(fā)展有較明顯的抑制作用.

2.2 以液氧為介質

1997年,HASHIMOTO等[23]在日本國立宇航試驗室的誘導輪試驗臺進行空化試驗,探究誘導輪內各種空化模式之間的關系.試驗結果表明,旋轉空化導致誘導輪軸向振動振幅增大,空化形態(tài)與誘導輪的轉速密切相關.

2017年,KIM等[24]對比了水和液氧介質下的誘導輪空化試驗結果發(fā)現:流量系數較低時,2種介質中的超同步旋轉空化現象出現時的空化數范圍相似;流量系數較高時,液氧介質中的空化現象的初生空化數小于水中的空化現象的初生空化數.

2.3 以液氮為介質

2007年,日本學者YOSHIDA等[25]研究了熱力學效應對誘導輪空化性能的影響.由于直接觀察低溫介質中的空化現象較難,YOSHIDA等通過處理葉頂間隙處的壓力脈動來間接估計發(fā)生空化的區(qū)域,將葉頂空化區(qū)域的長度作為一個空化發(fā)生的特征量,對液氮以及冷水介質下的空化特征進行比較,發(fā)現熱力學效應與空化區(qū)域的長度成正比關系.2007年,YOSHIDA等[26]根據空化區(qū)域的長度研究了誘導輪內熱力學效應對旋轉空化的影響,發(fā)現在較高空化數下,超同步旋轉空化發(fā)生在臨界空化長度為0.5,在較低空化數條件下,同步旋轉空化發(fā)生在臨界空化長度為0.9～1.0.2011年,YOSHIDA等[27]探究了不同溫度條件下,熱力學效應與次同步旋轉空化之間的關系,結果表明,在低溫條件下,誘導輪內會發(fā)生次同步旋轉空化,而在高溫條件下,誘導輪內不會發(fā)生次同步旋轉空化,這證實了熱力學效應對次同步旋轉空化的抑制作用.

2009年,KIKUTA等[28]研究了熱力學效應對誘導輪空化性能的影響,重點分析了空化區(qū)長度與熱力學效應之間的關系,發(fā)現熱力學效應和旋轉速度密切相關,較低的旋轉速度導致溫降幅度的減少,從而抑制了空化區(qū)長度的發(fā)展.2010年,KIKUTA等[29]通過試驗進一步研究了熱力學效應對誘導輪葉片載荷的影響,結果表明,熱力學效應抑制了空化區(qū)長度的增長,導致葉片表面載荷不隨空化數的變化而變化.

2016年,日本東京工業(yè)大學學者ITO等[30]對以液氮為介質的誘導輪空化進行可視化試驗,發(fā)現誘導輪內回流渦空化的軌跡和揚程系數密切相關,但是和空化數以及流體種類無關.此外,還發(fā)現回流渦空化柱的直徑取決于壓頭系數、空化數和流體種類,水介質中回流渦空化柱的直徑比液氮介質中回流渦空化柱的直徑大2.4倍,液氮為介質時誘導輪內空化區(qū)域形態(tài)呈現霧狀.

2021年,ITO等[31]進一步揭示了梢渦空化和回流渦空化的特征,發(fā)現梢渦空化柱的直徑與流量系數、空化數密切相關,梢渦空化的發(fā)展方向和發(fā)生區(qū)域隨著流量系數減小而變化,回流渦空化的旋轉速度、旋轉直徑與空化數無關.

2.4 以液氫為介質

1967年,NASA的BALL[32]通過試驗研究了液氫為介質時,誘導輪內的空化流動特性,結果表明,隨著液氫溫度增大,誘導輪的空化性能提升.

2.5 以氟利昂為介質

2004年,FRANC等[11]以冷水在誘導輪內的空化流動為參照,研究了氟利昂在誘導輪中的空化發(fā)展規(guī)律,從而估計熱力學效應的影響.結果表明,B因子與空化程度密切相關,與誘導輪旋轉速度和流體溫度關系不大.在空化數保持不變的情況下,由于熱力學效應對空化發(fā)展的抑制作用,氟利昂在誘導輪內的空化區(qū)域面積明顯小于水在誘導輪內的空化區(qū)域面積.2010年,FRANC等[33]進一步研究了葉片前緣空化和空化不穩(wěn)定性,結果表明,隨著誘導輪旋轉速度的增大,空化長度不斷增大,作者將這個現象歸因于流動速度對于熱力學效應的影響,空化不穩(wěn)定性正比于誘導輪旋轉速度,反比于液體的溫度.

總結國內外試驗研究可以發(fā)現,可視化試驗和動態(tài)采集仍然是目前主流的試驗研究手段.通過搭建誘導輪可視化試驗臺,利用高速攝像結合壓力脈動采集等試驗研究手段對誘導輪內的空化流動過程進行研究.但在識別頻率相近的空化類型時,很難從壓力脈動信號中區(qū)分具體的空化類型,有部分學者通過熱力學參數估算出空化區(qū)域內部的溫降來對誘導輪內的空化流動進行研究.2022年,YOON等[34]提出一種新的預測誘導輪內非定?？栈姆椒?該方法建立了空泡內非定常壓力脈動和灰度值的對應關系,利用灰度值來判斷非定?？栈念愋?可以直接通過高速拍攝的圖像識別空化不穩(wěn)定現象,作者應用該方法識別了誘導輪內的交替葉片空化和超同步旋轉空化.

此外,由于低溫空化試驗對試驗材料及測量設備都要求很高,誘導輪內低溫空化熱力學效應的可視化試驗數據較少,很多學者都是通過熱效應較顯著的不同溫度的水來類比低溫介質,但是水和低溫介質相比,兩者物性參數存在較大的差異,而這些物性參數差異將會對誘導輪內空化熱力學效應產生較大影響.如果在將來的研究中通過試驗獲得更多的誘導輪內低溫介質非定常空化流動的可視化試驗數據,將有利于誘導輪內低溫空化模型的驗證以及空化熱力學效應的研究.

3 誘導輪內空化熱力學效應數值計算

3.1 數值計算模型

誘導輪內空化熱力學效應試驗研究開展難度大,試驗成本高,數值計算逐漸成為研究誘導輪內空化熱力學效應的重要手段.數值計算模型主要包括空化模型和湍流模型2個方面.

3.1.1 空化模型

誘導輪內不同介質非定?？栈鲃又邪喾N復雜的空化現象,因此在數值計算中對于多相流模型的選擇尤為重要.多相流模型主要分為2大類,一類是拉格朗日模型,另一類是歐拉模型,其中歐拉模型又可以分為非均相流模型和均相流模型.

非均相流模型[35]將氣液兩相視為獨立的相,分別求解N-S方程,同時把兩相界面看作一個移動的邊界,并且考慮兩相之間的傳熱傳質等相間作用過程,因而能較好地反映流動細節(jié),但是該方法需要對氣液兩相分別建立方程組,參數多而且計算量較大,因此學者采用的較少.

均相流模型[36]基于均質平衡流理論,將氣液兩相視為均勻的混合物,采用單流體N-S方程進行計算.采用均相流模型計算在一定程度上可以反映宏觀的流體動力學特性,但其忽略了兩相之間存在相互作用、質量轉換等許多重要因素,使得計算結果存在一定的誤差,因而無法準確地預測非定常流動細節(jié).為了得到較好的計算結果,需要針對具體空化流動問題對相關空化模型和湍流模型進行修正.截至目前,均相流模型在誘導輪內空化熱力學效應數值計算中應用最為廣泛.

實現均相流模型數值計算的關鍵在于計算過程中混合流體變密度場的控制,從而實現計算方程組的封閉.常用的方法主要包括2種,一種是狀態(tài)方程(equation of state, EOS)[37], 另一種是輸運方程(transport equation based model, TEM)[38].前者基于狀態(tài)方程將壓力與密度等熱工參數關聯(lián)起來.2000年,SAUER等[39]提出了混合物密度和流場壓力的關系式,即

(14)

其他學者也在此基礎上提出了各種關聯(lián)式,但是EOS模型僅是建立起流體密度和壓力之間的關系,無法很好捕捉相變時的流場特性,因此,目前許多學者采用TEM模型來求解流體變密度場.該模型基于氣體體積/質量分數輸運方程,表達式為

(15)

常見的空化模型源項如表2所示.

表2 常見的空化模型

主流的KUBOTA,MERKLE,KUNZ,ZWART等空化模型都是基于Rayleigh-Plesset方程推導出壓強變化與氣液兩相間質量傳輸的關系.其中,KUBOTA等基于Rayleigh-Plesset方程,提出了空化模型,并應用于NACA0015水翼,驗證了模型的有效性.MERKLE和KUNZ空化模型中的相間質量傳輸率正比于飽和蒸氣壓與遠場壓力之差的絕對值,這2個模型依賴于經驗系數的判斷.SAUER模型和ZWART模型中的相間質量傳輸率正比于飽和蒸氣壓和遠場壓力之差的平方根,其中ZWART模型不僅需要給定氣泡直徑,還需要確定蒸發(fā)和冷凝系數,而SAUER模型最簡單,只需要確定單位液體中的氣泡數密度即可.SINGHAL等[47]提出了一個基于單空泡動力學的模型,該模型不僅考慮了氣泡半徑的變化,同時也考慮了非凝結氣體、表面張力、湍流脈動對氣液相間質量傳輸的影響,因此被稱為“完全空化模型”.SUSAN-RESIGA等[48]使用該模型模擬了混流式水輪機的空化流動,預測了初生空化數.這些模型通過經驗參數來調節(jié)質量傳輸過程,影響了其通用性.而SAUER空化模型將源項表示為蒸氣體積分數的函數,并把氣泡數密度和氣體體積分數耦合,形式簡單,不需要經驗系數,但并未考慮非凝結氣體對空化發(fā)展的影響,在預測空化流場時存在局限性.SENOCAK等[44]提出了基于界面動力學的質量傳輸模型(interfacial dynamics model,IDM),將源項和基于壓力的算法進行耦合,理論上解決了MERKLE模型和KUNZ模型對于經驗系數的依賴問題,并對比了半球體和NACA66MOD水翼在3種輸運方程模型和界面動態(tài)模型的計算結果,發(fā)現IDM能更好地捕捉氣液交界面.在此基礎上,UTTURKAR等[46]提出了基于界面動力學的空化模型,并應用于水翼溫度場和壓力場的預測,結果發(fā)現壓力場的預測更準確,但溫度變化與試驗值存在偏差.

以上空化模型都是基于等溫假設得到的,沒有考慮熱力學效應對空化過程的影響,因此需要對等溫空化模型進行修正.目前修正方法主要有2種,一種是基于單空泡熱平衡和溫度邊界層傅里葉定律對空泡半徑進行修正,另一種是基于兩相間熱平衡及B因子理論對飽和蒸氣壓進行修正.現有的空化模型都是基于單空泡動力學,如果能將空泡群動力學和宏觀空化模型結合起來,建立多尺度空化模型,將更有利于空化熱力學效應的研究.

3.1.2 湍流模型

大量的研究表明,標準的k-ε兩方程湍流模型忽略了空化區(qū)域中混合密度的變化對于湍流黏度的影響,容易出現對于湍流黏度的過度預測,影響數值計算結果的準確性.為了克服這種缺點,通常對湍流黏度進行修正,主要包含以下幾種針對湍流黏度進行修正的模型:

1) 密度修正模型(density corrected based model, DCM).REBOUND等[49]考慮空化流動的可壓縮性,以降低氣液兩相區(qū)域的湍流黏度耗散項,修正后的湍流黏度為

(16)

其中

(17)

式中:Cμ為經驗系數;ρm為混合密度;k為湍動能;ε為湍流耗散率;fDCM為模型分域函數;ρv為氣體密度;αv為氣相的體積分數;ρl為液體密度;n為常數.

2) 濾波器模型(filter based model, FBM).JOHANSEN等[50]提出的濾波器湍流黏度為

(18)

其中

(19)

式中:fFBM為濾波函數;Δ為濾波器尺寸.

采用該湍流模型計算的時候,需要保證濾波器尺寸不能小于網格尺寸.

3)混合模型 (filter based density correction model, FBDCM).FBM模型主要對水汽含量較高且遠離壁面的空化區(qū)域進行湍流修正,對于近壁面空化區(qū)域的可壓縮性沒有考慮.DCM模型主要通過對近壁面空化區(qū)域的混合密度進行修正,但遠離壁面區(qū)域作用效果欠佳.基于上述認識,HUANG等[51]提出一種基于混合密度分域的湍流模型FBDCM,充分發(fā)揮FBM和DCM的優(yōu)勢,從而實現對近壁面和遠離壁面空化區(qū)域的準確模擬.修正后的湍流黏度為

(20)

其中

fhybrid=φfFBM+(1-φ)fDCM,

(21)

式中:φ為混合函數.

4) 考慮旋轉和曲率的湍流模型.SHUR等[52]考慮旋轉與曲率對旋轉機械內部空化流動的影響,提出一種旋轉曲率修正函數,對湍流模型中的湍動能生成項進行修正,即

(22)

(23)

總結國內外湍流模型研究可以發(fā)現,標準的兩方程湍流模型通過對湍流黏度進行修正,能夠較好地預測空泡流動特性.其中FBDCM結合了FBM和DCM兩模型的優(yōu)點,被廣泛應用于空化流動湍流模型的湍流黏度修正.

3.2 數值計算研究進展

3.2.1 以液氧為介質

2009年,CHEN等[53]采用KUBOTA空化模型和k-ε雙方程湍流模型數值計算并分析了誘導輪內液氧旋轉空化流動特性,發(fā)現了正向旋轉空化現象,認為該現象是流道內的空化云非定常變化與局部流場的耦合作用形成的.旋轉空化引起誘導輪內的各流道流量不均勻分布,進而造成誘導輪局部振動.2016年,JIANG等[54]采用SCHNERR, ZWART以及SINGHAL等3種空化模型對氧泵誘導輪進行數值模擬,經對比研究,發(fā)現SCHNERR空化模型更適用于誘導輪的空化計算.2019年,LI等[55]基于B因子理論,對SINGHAL空化模型進行修正,并采用修正后的SINGHAL空化模型和雷諾時均方法(RANS)對誘導輪內的液氧空化流動進行數值計算,結果表明,修正后的空化模型可以較好地反映熱力學效應對空化的抑制作用.2021年,HUANG等[56]采用基于熱力學效應修正的KUBOTA模型和FBM湍流模型對誘導輪內常溫水和液氧的空化流動進行數值模擬,并引入空化相似參數,提出了一種誘導輪空化特性預測方法,該方法可以基于同一介質在不同溫度下的揚程特性曲線來預測其他溫度工況下的揚程特性.

3.2.2 以液氮為介質

2010年,WATANBE[57]對葉柵進行分析,結果表明,熱力學效應與空化區(qū)長度相關.2017年,陳曉[58]為了探究熱力學效應對誘導輪空化的影響,使用修正后的ZWART空化模型和k-ε湍流模型模擬誘導輪內液氮的空化流動,發(fā)現熱力學效應抑制了空化進程,但是并不影響空化初生位置及空化發(fā)展規(guī)律.2019年,ZHANG等[59]使用KUNZ,SAUER, ZWART空化模型和全空化模型(full cavitation model, FCM)模擬誘導輪內水和液氮空化流動特性,結果表明,全空化模型能準確模擬誘導輪內水和液氮的空化流動特性,并不需要對模型的參數進行修正,而SAUER空化模型在修正模型參數的基礎上,可以提供更為精確的計算結果.

3.2.3 以液氫為介質

2004年,SEMENOV等[60]在研制液氫泵的過程中觀察到在低空化數下,由于旋轉空化阻塞效應,誘導輪的揚程會下降,為了預測這種不穩(wěn)定現象,提出了一種考慮空化尾跡的空化模型,該模型預測結果與試驗結果較為吻合.2007年,HOSANGADI等[61]采用考慮熱力學效應修正的空化模型和LES湍流模型探究液氫介質下誘導輪的空化性能,計算結果表明,相比于冷水,液氫介質下誘導輪內的空化區(qū)域減小并且呈泡沫狀,當比轉數較高時,液氫介質下的誘導輪抗汽蝕性能得到改善.2009年,GONCALVES等[62]提出了一種基于正壓狀態(tài)方程的空化模型和k-ε湍流模型來計算液氫介質下誘導輪內空化流動特性,發(fā)現誘導輪轉速非常高時,壁面的黏性效應增強了熱力學效應,該影響有待進一步驗證.2013年,王小波等[63]基于空泡界面上熱平衡方程對KUBOTA模型進行了修正,采用修正后的空化模型對誘導輪內部液氫空化流動特性進行數值計算,并與試驗結果進行比較,發(fā)現兩者吻合較好.

總結國內外數值計算研究可以發(fā)現,低溫空化過程不能假設為等溫過程.因此,數值計算方法在解決誘導輪內空化熱力學效應這一問題中仍然面臨許多困難與挑戰(zhàn).誘導輪內熱力學效應對不同流體介質的葉頂泄漏渦空化、片狀空化以及云狀空化等不同空化形態(tài)的影響缺少定量研究,以及誘導輪內熱力學效應對空化發(fā)展產生抑制作用的物理機理也缺乏深入的研究.

4 研究展望

通過對誘導輪內不同流體介質空化熱力學效應的理論、試驗和數值計算方面研究工作的總結,認為在該領域還有諸多工作需要進一步研究:

1) 針對誘導輪內低溫介質空化流動的多場耦合特性,有必要建立集高速攝像、瞬態(tài)粒子測速技術以及X射線技術等多技術為一體的同步測量平臺,深入分析誘導輪內熱力學效應的影響.

2) 誘導輪內空化熱力學效應涉及低溫空泡動力學、熱力學等多物理學科,如何基于R-P方程,耦合表面張力、氣液可壓縮性和熱力學效應分析誘導輪內低溫空化區(qū)域的內部結構及其對宏觀流場的影響,是今后重要的發(fā)展方向.

3) 隨著計算機技術的不斷發(fā)展,越來越多的學者嘗試用機器學習的方法解決試驗流體力學以及計算流體力學遇到的問題[64-66].已有研究表明,可以通過機器學習采用不同的算法來學習和預估流體流動特征,并實現相關的優(yōu)化問題,這也是今后的研究熱點.