福斯公司谈离心泵汽蚀及其预测（下）
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汽蚀预测
可以通过如下措施对汽蚀进行预测：
1）比例定律（相似定律）
2）热力学效应
3）溶解或夹带气体的影响
4）通过CFD计算汽蚀初生值
5）汽蚀（腐蚀）长度预测
比例定律（相似定律）
预测非参考或试验转速以外的转速下的NPSH值。
NPSHi：
NPSH3：
假设：发生的汽蚀程度取决于汽蚀的时间长短，则f取决于泵的大小和N/NREF之比。
泵沙龙注：这里的NPSH3%等同于NPSH3，NPSH3%是早期的标注方法。
偏离相似定律的替代计算方法：
其中，
α的选择相当武断，而且严重依赖经验。其保守的选择为：
热力学效应（温度降低）
汽蚀性能取决于：
- 液体温度
- 液体类型
图12：温度对泵汽蚀的影响示意图
→NPSHR下降（例如，斯捷潘诺夫方法，或者水力协会修正图）。
预测热力学效应：
平衡理论：
斯捷潘诺夫（1965，1978）：
非平衡理论：
气泡动力学（CFD）计算，包括随时间变化的两相流计算。
溶解和/或夹带气体的影响：
主要特点：
性能（下降）是因为受气体逸出和气体膨胀、而不是传统的蒸汽形成的影响。
溶解和/或夹带气体导致现场NPSHA下降：
安全隐患：NPSHA ＞NPSHR，而由于溶解和/或夹带气体导致NPSHA* ＜ NPSHR。
借助CFD预测初生汽蚀余量（NPSHi）
典型的做法：
1）创建叶轮流道的3D几何模型/网格
2）使用CFD求解流场（不汽蚀）
3）根据CFD压力场计算初生汽蚀余量
流线通过最小压力点，见图13。
图13：流线通过最小压力点
则，
因此，NPSHi遵循计算压力场的pmin和p01，不需要知道pv！
对几种流量下运行进行模拟，得出NPSHi曲线：
图14：NPSHi曲线
注：CFD计算的特点是针对叶轮流量！
要在泵的流量上进行预测，需要考虑容积效率（→耐磨环泄漏量）：
计算曲线向左移动量：
对于低比转速Ns叶轮，考虑Qleakage变得尤为重要。对于高Ns叶轮，相对影响较小。
如果NPSHA < NPSHi呢？
→找到叶轮叶片表面上p < pv的区域
- 物理上不现实，但它会给出
- 汽蚀区域，以及
- 气泡长度的近似值
注意：实际的汽蚀区域可能更大、气泡可能更长。
从非汽蚀流动模拟中可视化p < pv区域：
→绘制阈值pv*的等值面（isotimic surface）
图15：绘制阈值pv*的等值面
示例：
图16：p < pv区域（见红色所示）
NPSHA = 15.5 m（51 ft）
NPSHi = 28 m（92 ft）
N = 2980 rpm
Q = 400 m3/h（1760 USGPM）
叶片吸入侧的汽蚀。
将LCAV = mL(p < pv)，m = o(3)，可以得到预期的汽蚀腐蚀率。
或
其中，
叶片吸入侧（非工作面）n = 2.83；
叶片压力侧（工作面）n = 2.6
在比较设计和评估汽蚀侵蚀的敏感性（相对而言）时，方程（*）特别有效。
→设计优化研究。
特别说明：
- 迄今为止的结果和理论不需要两相流计算。
- 尽管如此，它还是提供了有关（抗）汽蚀性能的叶轮设计的重要信息。
- 下一步改进应该来自使用汽蚀模型的CFD计算。
- 使用汽蚀模型进行计算非常耗时，而且“CPU成本很高”。
- 目前已有几种汽蚀模型，汽蚀模型的研究仍在进行中。
CFD汽蚀模型
通常有两种方法：
1）均衡模型（Equilibrium models）：相对比较简单。
2）气泡动态模型（Bubble dynamic models）：更贴近现实，更复杂，CPU更贵。
示例：
图17：空泡图（见红色所示）
均衡模型：CFX-TASCflow（CEV-model）
NPSHA = 15.5 m（51 ft）
NPSHi = 28 m（92 ft）
N = 2980 rpm
Q = 400 m3/h（1760 USGPM）
m ≈ 3
叶片吸入侧的汽蚀。
应用：
利用CFD汽蚀模型，可以从CFD计算的扬程下降曲线预测NPSH3。
图18：CFD计算的扬程下降曲线
图19：CFD计算预测的汽蚀曲线
结束语
1）汽蚀是一种严重影响泵的性能和运行的现象。
2）预测汽蚀性能是一个重要课题，不仅对于泵，而且对于一般的流体机械也是如此。
3）传统（缩放设计）方法仍然很重要和有用。
4）CFD方法提供了更深入的洞察，并且应用越来越普遍。
5）气泡动力学（CFD）方法正在兴起，并且对未来充满希望。