国外离心泵汽蚀研究的现状

1、国外离心泵汽蚀研究的现状 西安交通 大学流 体力学教研室吴达 人 提要 本文 缭 合 国外大量研究文献 , 介绍 了离心泵汽性机理的各种解释 、 研究现状及一些 新的研究成果 。 前言 通常认为 , 当液体的绝对压 力降低到等于 或低于液体的蒸汽压力时 , 就会形成汽泡 。 这 些汽泡在低压区中增长并形成空腔 , 当汽泡被 水流带到高压区时 , 汽 饱崩溃 , 从而在材料的 表面上造成浸蚀 。 我们 把汽 泡的形成 、 增长和 崩溃以及造 成浸 蚀的过程称之为 汽蚀 。 汽蚀现象最初是在十 九世纪末期 , 当提高 船舶螺旋桨的转速时发现的 , 从此就开始了对 这一现象的研究 。 在二十世纪初期 , 研究尚局 限在材料的破坏以及汽蚀现象 的基本物理特 征 上 。 到二十年代 , 开始研究汽蚀的相似 原理 , 并提出了有明确物理 意义 的无因次系数 。 在此 期间 , 所有的研究都是根据 这样一 种典 型的假 定出发 的 : 即 当液体的局部压 力降低到等于流 动液体的汽化压力时 , 就立 刻发生 汽蚀 。 尽管 直到今天 为止 , 在工程问题 上仍 旧沿用这一 假 定 , 但是我们已经认

2、识到 , 这 一假定是不完全 的 。 事 实上 , 早在三十年代中期 , 就对这一 假 定提出了怀疑 , 从而 开始了汽蚀 的基础物理学 的研究 。 第二 次世界大战 以后 , 由于大 力发展 鱼 雷 、 潜艇等水下武器 , 对汽蚀现象的 基础研 究就更为重视 , 为此 , 建造了不少 水洞 等大型 实验设备以供研究之 用 。 汽蚀核 子 、 汽泡动力 学以及汽泡的不稳定性质等 , 都是在四十年代 末到五十年代逐渐发展起来的 。 与 此同时 , 尺 寸 效应问题也提到日程上来 。 进人宇宙航空时 代以来 , 汽蚀问题就更为 尖锐 。 在 此期 间 , 提 出了非水液体问题 , 出现了诱导 轮离心泵 和超 汽 蚀泵 。 最近 , 在诱导 轮 离心泵的运行 实践 中 , 则发现泵连 同管路系统一起出现的 自振问 题 , 从而加快了汽穴流的研究 。 八十多年来 , 汽蚀研究的文献浩如烟海 , 特 别是近一 、 二十年来 , 几乎目不暇给 。 据统 计 , 近十年来所发表的文献 占全部文献的5 0% , 而近二 十年来所发表的文献则占全部文献 的 8 0% 。 因此 , 至今已经积累了大量的

3、研究成 果 , 并且形 成 为水动力学的一个分支 。 近年 心尹卜 勺 啥、心, 宁 、, 告叮 、与甲、 、山 , 心旨份、唱叮、 叮、心脚 于、白协、夕卜心加 甘、, 今 、, 令 、, , 、唱代卜心今 唱心 、二代卜、, 甲 咯叮 、 奋叮 、 甲 今今 、, 李端知,、心心甲夕协唱心、唱代卜心代卜。 专唱心、心,学 昭,于、 、 二今 、 心叶 , 叮 、 心叮 二 甲心, 的 。 实践 也证明了 , 这种方法简单易行 、 操 作 方 便 。 在叶轮周 边线速度近20 0米 /秒情况下 , 我 们在同一张 胶 片上作了重复曝 光试验 , 可见字 迹 、 线条仍然清晰 。 今后 , 如果有几对钢球 , 用可 调 、 连续控制触 发时间的方法 , 产生数 次 脉 冲闪光 , 在同一张照片上 , 既能看到叶轮破 坏瞬 间的初始裂纹情况 , 又可看到碎片飞 出的 高速 动态过 程 。 透平叶轮破坏瞬 间摄影试验工作 , 得到 了 我校光 仪 系徐昌标同志和电机系戴良朴同志的 大力协 助 , 顺致谢意 。 参考文献 1 2 浙江大学高速摄影应用研究组 : “ 球隙火花式 单 幅高速摄影

4、装置 ” 。 佐藤和郎 、 永井文雄 “ 铸跌闪板必回鞋忆 丈 石 破坏忆。 沪 下 ” 日本机械学会蒜 69卷 , 57 5 号 , 16 17一1623 , 1966 一 2 2 一 来 , 还出版 了几本综合其研究 成果的书藉 。 虽 然如此 , 对汽 蚀问题 的认识还是远远不够的 , 尚需在研 究过程中不 断深化和发 展 , 因此 , 要 彻底掌握这一问题还有很大 的距离 。 本文试图 就离心 泵 的汽蚀问题 , 对 目前的研究动态作一 综述 , 以供有关 方面参考 。 二 、 汽蚀机理 则进一 步认为 , 在高压锅 炉给水 泵 中 , 汽蚀 的 影响没 有 同一台水 泵在其他条件都相同的情 况 下输送冷水时 那么严重 , 因为输送的水 是经过 锅炉高度加压除气的 。 但是 , 包括 K naP P 在内 , 只是暂时 承认 有核子存在 , 因为谁也没有在 实验中测 到过这 种核子 。 直到最近 , 才 用全息 照相的光学方法 测得 了这种核子的存在 , 发现了直径 为 了一1 0 拼的核子 。 根据上 述可知 , 汽蚀的发生取决于液体 中 汽蚀核子 的大 小和 数量 , 因此

5、 , 液体可 以在不 同的压 力下开始断裂 , 所以不存在使汽蚀发生 的 明确压力 。 在计及表面张力和粘性的情况下 , 汽泡增 长率有着如下关 系 : .P 十 P g一 P 一 箫 一 “ 令 一 ! R“+ 令 (“, 2 ” 式中 : .P 、 P g一汽泡 中蒸汽 和气体 的分压 力; R一汽泡的增长速度; n一 汽泡 的增长 加速度 。 由上式可知 , 表面张力和粘性都会阻 碍汽 泡 的增长 , 事实上 , 当汽泡尺寸较 大时 , 这两 种影响都并不重要 , 因此 , 当汽 泡中只含有蒸 汽时 , 可得汽抱 的增长率为 : ,矛 了 t山 、! 少 从三十年代以来 , 人们逐渐认识到 , 随着 液体 中含有杂质的多少 , 汽蚀可以在高于或低 于汽化压力 的条件下 发生 。 所谓杂质 , 是指液 体中含有可溶和不可溶气体 , 以及如 灰尘之 类 的固体质点 。 研究表明 , 在这些杂质中 , 不 可 溶气体对汽蚀 发生机理 的影响最大 。 当液体 中 含有不可 溶气体时 , 就会破坏液体的均匀性 , 并使液体易于发 生断裂 。 Ha r v e y 认为 , 当水中含有灰尘之

6、 类 固体 杂质是恐 水(非湿润性 )的 , 那么在固体质 点 的微 小隙 缝中 , 就会存在微小的气泡 。 在液体 被气体过饱和 的情况下 , 液体中的气体就会扩 散到 隙缝内的气泡 中去 , 使气泡逐渐扩大 。 当气饱的体积扩大到超过隙缝的容积时 , 气液 交界 面就超 出隙缝的范围 , 并在升力或水动 力 的作用下与 固体质点脱离而形成微小的气 泡 。 这种不可溶杂质中所形成的微细气抱就是 所谓 “ 汽蚀核子 ” 。 汽 蚀核子的尺寸很 小 , 通常只 有 1一4 0拜 , 所以 肉眼是不 易观察到的 。 核子 越小 , 液体能承受 的张 应力就越大 。 除了 H a v r e y 所提 出的假设以外 , 还有一 些其它 的假设 , 但这些假设虽 然有 各 自不同的 观点 , 却并没有脱离液体中存在不可溶气体这 一说法 的范畴 。 事实 上 , 在 H a v ry e 提出这一假设以后 , 不少文献支持了这种 说法 , 且为不少文献所引 用 。 在这些 文献中 , R . T . K na P P 进一 步用实 验 , 即通过对水进行加压处理 , 来证实 H a rve y

7、的说 法 。 当普通 的水经过加压处理去掉其 中的 汽 蚀核子后 , 水就可 以承受 更大的张应 力 , 从 而使 汽蚀在低 于 汽化压 力下发生 。 G . T . C san d y 6 rZ 几= l 狡 3 (P 二 一 P _ ) P 这说明 , 汽抱半径是随时 间而增大 的 。 但 是实 验表 明 , 上式对汽 泡增长率的估计是过大 的 , 因为其中除了忽略表面张力和 粘性的影响以 外 , 还没有计及热 力学效应 , 即蒸发时的冷却 效应 。 M . 5 . P l e se s t 指出 , 当计及 这一效应 时 , 汽泡的增长率应 为 : (T 。 一 T 、 ) (k t) JZ K 一刃 式中 p 一蒸汽的密度 ; L一 汽化潜 热; k 一液体的热扩散 率 ; K一 热传导率, 一 2 3 一 T b, T 。一周 围液压下的 沸腾温度和 液体 中的温度 。 汽 泡的实际增长率应在 上述两 种极限情况 之间 。 研究汽泡增长问题的困难在于影响增 长率 的因素太 多 , 例如 , 汽蚀核子的原始尺寸 、 液 体的性质 、 流场的流体动 力学条件以 及时间迟 滞的影响

8、等 。 同汽泡 的增长 一样 , 汽泡的崩溃 机理也是 一个 复杂的间题 。 在上述汽泡增长率的关系式中 , 当忽略粘 性 , 且 令 P g 一。 、 则在积分后可得 : 。 , 2(P _ 一 P 。 )/R n3 八 . Za /R舌 八 R “ = 二竺止二 -二二二卜之 婴户一 1!十上 于 卜共 乡 一 l, 3PR 一 /PR R , 一 / 可见 , 表面 张力能 加速汽 泡的 崩溃 。 当计及液 体的压 缩性时 , 崩溃时 的压力 为 : 因 。 不少文献支持微细射流的说 法 , 认为从材 料损坏的情 况看 , 这种说法比较有力 。 关 于汽 蚀机理 的问题 , 国外已经进行了并 正在进行着大量 的研究 。 现在普遍 认为 , 进行 汽蚀机 理方面的基础 研究是最为重要的 。 因为 只有进行这方面的理论和实验的研究 , 进一 步 认识汽蚀现象 的本质 , 才 能最终地解决和控制 汽 蚀问题 。 但是 , 正 如上面所指出 , 影响汽泡 增长和 崩溃的因素很 多 , 所以尽管做了不 少工 作 , 有实效的进展却并不 多 。 虽 然如 此 , 这 些 汽 蚀机理 的研究已

9、经在离心 泵的汽 蚀问题中产 生了巨大 的影响 。 现在 , 在 说明和分析离心 泵 的 一些汽蚀 问题时 , 已经开始应用汽蚀机理 方 面的研究成果 。 P ; 一 、 哗赤 边( + 器(赘 一 ) 三 、 离心泵的汽蚀研究 + 、 1 2 苦 ,上 一 侧 一 尸 z l / 式中 刀一压缩性系数 。 因此 , 表面张 力还提高了崩溃时 的压力 。 根据 上式计算得的 崩溃压 力 , 随汽泡原始半径不同 而可达到 几千 、 甚至一万 多大气压 。 在汽饱 崩 溃机理方面还有 着不少困难 。 例如 : 压缩性 、 球形 汽 泡的不稳定性 、 可压缩蒸汽 的状态 方程 等 , 都是难于考虑的 问题 。 汽泡崩溃时 之所以能使材料受 到破坏 , 目 前有两种 主要的说法 。 一种说法认为 , 这种高 压是由冲 击波造成的 。 当汽 泡周围 的液体压 力 急剧 上升时 , 汽 泡就受 到压缩 , 使汽泡 内的气 体压力 升高 。 随着汽泡 的继续受压缩 , 汽泡内 的压 力可以大 到几 千大气压 。 这样高的压力 , 在 汽泡 崩溃时就会放射出很强 的冲击波 , 从而 使材料破坏 。 另一种说 法则认 为是由于微细射 流 。 当汽泡 因周 围液体压 力的升高而收缩时 , 在固体壁面附近就形成了汽泡 的不稳定性 。 汽 泡在收缩过程中变形为非球形 , 且向壁面方向 移 动 , 并在崩 溃时形 成了液体的微细射流 。 这 种 微细射流就是 造成 冲击固体壁面的高压的原 在汽蚀研 究的领域内 , 与 基础 研究 的同 时 , 也对翼 型以及离心泵本身进行了研究 。 关 于 翼型的汽蚀研究 , 日本东北大学高速力学研 究 所的昭知福三郎曾进行了一 系列的工作 , 并 声称曾得 到了抗汽蚀性能最佳的翼 型 , 但是 , 在实用方面似乎并没有获得进展 。 在离心 泵的 汽蚀研究中 , 为 了提高泵的 吸 人性能 , 历来对结构参数的 研究最为普遍 。 同 时 , 由于叶轮 进口结构参数对 汽蚀性能 的影响 最为显著 , 所以也研究得 较多 。 但是必须指 出 , 到 目前为止 , 这 些研究都只是针对某个个 别 的参数 , 对各个参数间 的相互影响则很少研 究 。 我们相信 , 结 构 参数

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