基于拟序结构的离心泵内空泡运动规律研究

摘要：从近壁区湍流拟序结构出发，研究离心泵内的空泡运动规律。首先利用空泡的Morrison方程得出了近壁区法向运动速度，然后基于拟序结构推导出了空泡在“扫掠”情况下的流向速度，最后用两个速度得到了基于近壁拟序结构的离心泵内的空泡对叶轮壁面的冲击角。研究表明离心泵内正是由于近壁区拟序时的“扫掠”作用造成了沙粒对叶轮壁面以小角度的冲击破坏，这与前人的试验观测结果基本吻合。

关键词：近壁区湍流；拟序结构；离心泵；空泡；空蚀；扫掠

中图分类号：TV131.32 文献标识码：A 文章编号：

在流体机械工程领域中，通过研究空泡等异质颗粒在壁面拟序结构下的运动规律，从而指导人们采取措施（如壁面加肋条、边界层入口加扰动、大涡破碎等）来改变近壁区拟序结构的发生频率和强度，从而达到减轻颗粒对壁面的磨蚀破坏作用，是一个崭新的研究领域和一项较前沿的研究课题。对这一课题的深入研究，有助于深刻揭示空蚀、磨损的发生与发展的内在机理、规律，为在工程应用中实现抗空蚀、磨损提供一项新技术、新工艺。

1 空蚀的破坏机理

空蚀或称汽蚀，是流体机械中普遍存在的现象，空蚀仅在特定的条件下发生，受到空蚀作用的材料其宏观表现形态为过流表面出现针状小孔、小麻点，呈蜂窝、海绵状。空蚀破坏的机理十分复杂，至今仍然有许多不同的观点与理论。目前主要的空化剥蚀机理主要有下述两种：空泡溃灭压力冲击论和微射流论[1]。空蚀从形成过程上说主要有以下几个阶段，首先是水流中或边壁表面裂缝中存在气核，当局部压力降低时，气核迅速增长成为空泡。空泡被带到高压区后，由于高压作用使空泡破裂，形成高速微射流冲击壁面或是空泡受水流作用被带到壁面直接撞击壁面，形成水锤作用。这使固体表面受到剥蚀。因此，形成空蚀大体需要4个水流条件[2]：（1）水中含气核；（2）要有低压区；（3）气核增长形成的空泡要带到高压区；（4）空泡溃灭要在边壁附近。 以上后3个条件与水流内部结构有关，第4个条件直接与湍流的近壁区拟序结构有关。

2 近壁湍流的拟序结构

6 结论

本文针对小粒径的空泡，利用拟序结构的观点来分析离心泵内空泡的运动规律。研究表明，在湍动状态的水流中，空泡对离心泵叶片壁面的冲击在泵出口处始终以较小角度的微切削破坏为主，角度在大约11°～12°范围内变动，这与Corino等前人的观测结果基本吻合。

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