水泵汽蚀特性分析及数值研究

张俊广

（中铁八局集团有限公司，四川 成都 610036）

水泵为通用流体机械，广泛应用于工程领域和日常生活。在工程建设领域进行水泵的工艺设计时，通常要考虑水泵的汽蚀特性。水泵在运行时如果出现了汽蚀，泵内流体的速度和压力都会发生变化，流量扬程特性就会发生恶化，并伴有噪音、振动等现象，对泵体产生冲击，并影响整个管道系统的稳定。因此，厘清水泵的汽蚀特性至关重要。因此，如何提升泵的抗汽蚀特性成为水力机械工程研究的难点。本文首先阐述水泵汽蚀的形成原理及产生的危害，然后，采用数值模拟的手段对泵的汽蚀特性进行研究，为工程项目泵站系统设计应用及避免汽蚀发生提供参考。

1 汽蚀的产生

泵在运行过程中，水流随之进入泵体并高速流动。在叶轮的吸入口，水的流动会形成低压区，当低压区的压力低于水的气化压力时，流体就会在此处发生汽化，并形成蒸汽和气体的混合汽泡，汽泡运动到高压区域时就会发生破裂，留下局部空隙，高速流动的水则迅速冲填空隙。而汽泡中的蒸汽和气体无法在如此短的时间溶解并凝结，伴随着高速的水流冲击，再次被水流冲击、压缩，分界成更小的汽泡，该过程如此反复。

上述反复的冲击过程若发生在泵体流道及叶轮的表面附近，就会形成高强度高频率的冲蚀，叶轮材料表面在水汽混合的反复冲刷下，最终导致材料疲劳，进而遭到破坏。另外，水中溶解的自由氧也会对叶轮及流道表面的产生电化学腐蚀，加速材料的损坏。上述过程中汽泡的产生、破裂以及水流的冲刷致使叶轮和流道表面材料疲劳、损坏的过程，即为汽蚀。

2 汽蚀的危害

水泵的运行一旦发生汽蚀，不仅会给设备本身带来损伤，也会影响系统工作的安全。主要表现在以下方面：

（1）产生振动和噪音。汽蚀发生时，往往伴有振动和噪音。汽泡的破裂和高速水流的冲刷会带来很大的噪音。根据前文所述汽蚀发生的过程，反复的破裂和冲刷过程就会伴随着很大的脉动力，如果脉动的频率接近设备和系统的固有频率，则容易产生共振。

（2）引起材料的损坏。根据汽蚀发生的机理，由于水汽的冲刷和电化学腐蚀的共同作用，致使叶轮和流道表面受到损坏。

（3）导致性能的下降。当汽蚀继续发展，将产生大量汽泡，严重堵塞流道的截面，使流体通流面积下降，从而引起扬程下降，效率也会降低，影响泵的运行。

2 汽蚀余量的定义

汽蚀余量是用来描述水泵汽蚀特性的重要参数，通常用△h 表示。

就同一台水泵而言，吸入装置条件的变化可能直接导致汽蚀的发生。因此，我们把吸入装置条件所确定的汽蚀余量称为有效汽蚀余量，符号为Δha。根据图1 所示，定义式如下：

图1 水泵系统示意图

根据伯努利方程：

因此有，

相同工况条件下，有的泵会发生汽蚀，而其他型号的泵则可能正常运行。因此，汽蚀的发生还与泵本身的汽蚀特性有关联。我们把该项条件所确定的汽蚀余量称为必需汽蚀余量，符号为Δhr。定义式如下：

式中λl，λ2为压降系数。

Δha和Δhr与流量的变化关系曲线见图2 所示。

由图2 可知，Δha和Δhr相交于C 点，此时，△ha=△hr=△hc，该工况点即为汽蚀临界点，对应的流量为Qvc。当运行流量小于Qvc时，有效汽蚀余量减去流体汽化压力后的富余压头足以克服吸入口所产生的压降，此时，泵的运行处在安全区。反之，则泵的运行处在汽蚀区。

即保证泵不发生汽蚀的条件为Δhr＜Δha。

4 汽蚀特性的数值研究

本文以离心泵为例进行建模，叶轮直径尺寸为300mm，数值计算时模拟转速为1450r/min。

图2 Δha 和Δhr 与流量的关系曲线

首先对泵体内流场区域进行网格划分，利用Gambit 软件进行处理，采用结构化和非结构化相结合的混合网格，网格划分数量约为35 万。计算模型采用κ-ε 湍流模型，采用速度入口作为进口的边界条件，流体出口设为自由出流。泵体内壁则定义为静止光滑的壁面，但是对于壁面的附近，则会产生很强的对流，因此在壁面附件采用标准的壁面函数模型。其次，对泵的设计工况时改变吸入口的压力，对吸入口的压力由设计工况逐渐降低，此时，装置的有效汽蚀余量就会减小，对数据进行整理，绘制出不同入口压力下泵的汽蚀特性曲线，见图3 所示。

图3 汽蚀特性曲线

由图3 可知，当Δha在7 ～9 区间时，扬程曲线开始呈现下降趋势。此时，在泵内流道区域会产生一定量的气泡，并逐渐堵塞流道，就会导致泵的扬程出现下降。当继续将Δha减小时，扬程则呈现快速下降的趋势，这时，会在泵体的流道区域聚集了大量的气泡，几乎占满了通流空间，叶轮已经无法正常对通流液体进行做功，才会出现泵的扬程迅速下降的情况。

图4 叶轮区域压力分布图

图4 给出了叶轮区域压力分布图，从图中可以得出，叶轮进出口压力呈现明显的梯度分布，自进口的低压区至出口的高压区。在叶轮出口处，叶片尾部的区域流体压力最大，而在叶轮进口处，叶片头部的压力为最小，也就是此处，最先且最容易发生汽蚀；并且此处的也拼应力变化很大，运行环境恶劣，容易造成材料疲劳，进而引起安全隐患。

图5 给出了不同有效汽蚀余量对叶片表面气泡体积分数影响的分布图。红色区域为汽泡集中分布区域，表面此处已经发生汽蚀。蓝色区域为无汽泡的区域。

从图中可以得出：当Δha=9m 时，在叶轮的头部区域只有少量的气泡分布，此时，少量气泡几乎对泵的性能不产生影响。当Δha=7m 时，泵内的汽蚀发生了恶化，从头部区域发展到了流道区域，造成了通流区域的堵塞，使得泵无法正常对流体做功，因此，导致泵的性能下降，扬程和效率均降低，并伴有振动和噪声的产生。伴随着进口压力的不断降低，装置的有效汽蚀余量也随之降低，气泡面积逐渐增大，并开始占满叶轮通流区域，严重阻碍了叶轮的正常做工，进而影响了泵的扬程，使得扬程曲线呈现快速下降的现象，因此，也就很好解释了泵在严重汽蚀时会出现断裂工况这一现象。

5 结语

本文对泵的汽蚀特性进行了分析，理论阐述了泵汽蚀产生的机理，定义了泵的汽蚀余量，并进一步建立泵的模型，设置计算条件，数值研究了泵的汽蚀特性，揭示汽蚀特性的影响因素及变化规律，更好地服务工程项目泵站的系统设计。

图5