泵空化理论

空化和空蚀的原理及应用1. 空化的原理空化是指在流体力学中，流动速度超过临界速度时，液体或气体中的压力下降到饱和蒸汽压以下，形成气蚀现象。

空化通常在高速液体流动或液体泵中特别容易发生。

空化的原理主要是因为流动速度增加，密度降低，从而导致流体的压力下降。

当压力下降至饱和蒸汽压以下，液体中的液体蒸发成气体，形成气蚀。

空化还会导致液体流体的流速增加，从而加剧空化现象。

2. 空蚀的原理空蚀是指在机械装置中，由于液体中的气泡或气体在压力变化下沉积或爆裂，导致液体中出现空隙或气泡的现象。

空蚀通常在液压系统、液体泵或涡轮机等设备中产生。

空蚀的原理主要是液体中的气泡或气体在压力变化下，由于气泡或气体的容积变化引发的空隙或气泡。

当压力变化引起气泡或气体的容积变化时，液体中的空隙或气泡会导致流体流动的中断或减弱，从而导致空蚀现象。

3. 空化和空蚀的应用空化和空蚀现象在工程领域中有着重要的应用。

以下是一些常见的应用场景：3.1 液体泵设计和维护在液体泵的设计和维护中，空化和空蚀是需要考虑的关键因素。

液体泵在高速运行时容易发生空化现象，导致泵的效率下降甚至损坏。

因此，在液体泵的设计和维护中，需要采取措施来避免空化和空蚀的发生，如增加泵的压力容降、增加泵的进口压力或降低泵的运行速度等。

3.2 水力发电站设计和优化在水力发电站的设计和优化中，空化和空蚀的控制是非常重要的。

由于水力发电站的高速水流，空化和空蚀往往会导致设备的损坏和效率下降。

因此，在水力发电站的设计和优化过程中，需要对流体的流速和压力进行适当控制，以避免空化和空蚀的发生。

此外，还需要合理选择材料，以提高设备的抗空蚀能力。

3.3 液压系统的设计和维护在液压系统中，空化和空蚀往往会导致系统压力下降，从而降低液压设备的工作效果。

因此，在液压系统的设计和维护中，需要合理选择液压材料，并采取措施来避免空化和空蚀的发生。

常见的方法包括增加液压系统的进口压力、优化液压系统的管道设计、定期维护和检查液压设备等。

有关空化模型在泵中的使用（单相液体空化情况）由于空化问题的特殊性，较大的进出口压力差、汽液密度差异和较小的饱和蒸汽压等会引起收敛困难，特别是初始条件的正确性对计算是否平稳与准确产生很大影响。

为了提高稳定性，除了正确设置空化模型（默认考虑不凝结性溶解气体）外，最核心的问题在于在空化模型计算时有一个很好的初始条件以及采用合适的松弛因子提高计算的稳定性，这对于复杂的模型尤为重要。

1、有关松弛因子Fluent帮助有关的论述为：momentum equation: 0.05~0.4；pressure equation: 一般大于momentum equation，取0.2~0.7之间；density: 0.3~1.0; vaporization mass: 0.1~1.0；一些特殊情况，所有方程可能需要更小的松弛因子。

对于泵空化计算的体验大致为：离心泵内部流动比较复杂，松弛因子似乎全部需要减小，事实上除了momentum方程外，湍流强度大小会直接和蒸汽输运方程相关，k方程和e方程的松弛因子也要足够小。

目前一个成功的计算例子是在开启空化模型后，各方程的松弛因子设定0.01和0.02之间，除了上述提到的可到0.05。

实际设定可在此基础上上调整，以提高收敛速度。

2、初始条件Fluent帮助有关的论述为：初始压力设定为进出口之间可能的最高压力以避免不必要的低压和实际不存在的空化斑点。

但是对复杂的流动，获得一个比较接近实际流场分布的压力场是必须的。

这可以从以下两个方面获得：（1）设置density和vaporization mass的松弛因子极小到接近于零，待计算收敛到一定程度以后再调高这两个松弛因子到合适的大小。

（2）获得一个收敛的或接近收敛的单相液体流场，之后再开启空化模型进行计算。

对于泵空化计算的体验大致为：最好的方式还是先采用单相液体计算流场基本收敛再开启空化模型，这个时候的初始条件会非常有利于提高计算稳定性，但是各方程的松弛因子要足够小，以保证稳定计算空化。

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）。

水泵水轮机空化系数选择伍志军（中国水电顾问集团中南勘测设计研究院湖南长沙 410014）[摘要] 水泵水轮机空化主要受翼型空化影响，其空化性能一般由水泵工况决定。

本文从水泵水轮机空化的特点入手，依据国内部分已建、在建电站的统计资料，对已有的经验公式进行了复核，并提出了与电站无空化运行要求相适应的水泵水轮机空化比转速的建议范围和空化系数的拟合曲线。

[关键词] 水泵水轮机空化空化系数电站空化系数空化比转速0 概述水泵水轮机吸出高度和安装高程选择需综合考虑水泵水轮机的空化特性和土建投资，同时还要考虑过渡过程中尾水管最小压力值。

一般情况下，抽水蓄能电站土建工程往往先于机组设备招标，因此，在机组定厂、机组特征参数确定前需要凭经验选择水泵水轮机吸出高度和安装高程。

吸出高度越小，水泵水轮机安装高程越低，水泵水轮机抗空化性能愈好，但电站的土建投资愈大；如果吸出高度过大，水泵水轮机抗空化性能差，过流部件上易空蚀，严重时还会影响水力效率，产生噪音和压力脉动。

目前，在吸出高度具体计算时，一般参考经验公式、国内外已建电站资料和机组制造厂的技术方案综合确定。

机组招标时，吸出高度和安装高程作为水力开发设计的边界条件，要求初生空化系数小于电站空化系数。

1 空化类型空化主要有四个类型，即翼型空化、空腔空化、间隙空化和局部空化。

翼型空化主要由叶片低压面的负压和水流冲角引起，空化主要发生在叶型表面的低压区和叶片头部与水流发生撞击后的脱流区；空腔空化是反击式水轮机所特有的一种漩流空化，由非设计工况下转轮后涡带中心的负压引起；间隙空化是由于水流通过狭小通道或间隙时引起局部流速升高、压力降低引起；局部空化主要是由流道表面不平整、砂眼、气孔等引起的局部流态突变造成。

一般而言，水力机械的翼型空化影响的是机组的性能及母材的寿命，水力设计的一项重要任务就是尽可能优化叶片形状，使翼型空化尽可能小；而空腔空化，直接影响的是机组的水力稳定性，虽然可以通过优化流道和采取专门的结构措施降低空腔空化，但无法根本消除。