水泵汽蝕特性分析及數值研究

張俊廣

（中鐵八局集團有限公司，四川 成都 610036）

水泵為通用流體機械，廣泛應用于工程領域和日常生活。在工程建設領域進行水泵的工藝設計時，通常要考慮水泵的汽蝕特性。水泵在運行時如果出現了汽蝕，泵內流體的速度和壓力都會發生變化，流量揚程特性就會發生惡化，并伴有噪音、振動等現象，對泵體產生沖擊，并影響整個管道系統的穩定。因此，厘清水泵的汽蝕特性至關重要。因此，如何提升泵的抗汽蝕特性成為水力機械工程研究的難點。本文首先闡述水泵汽蝕的形成原理及產生的危害，然后，采用數值模擬的手段對泵的汽蝕特性進行研究，為工程項目泵站系統設計應用及避免汽蝕發生提供參考。

1 汽蝕的產生

泵在運行過程中，水流隨之進入泵體并高速流動。在葉輪的吸入口，水的流動會形成低壓區，當低壓區的壓力低于水的氣化壓力時，流體就會在此處發生汽化，并形成蒸汽和氣體的混合汽泡，汽泡運動到高壓區域時就會發生破裂，留下局部空隙，高速流動的水則迅速沖填空隙。而汽泡中的蒸汽和氣體無法在如此短的時間溶解并凝結，伴隨著高速的水流沖擊，再次被水流沖擊、壓縮，分界成更小的汽泡，該過程如此反復。

上述反復的沖擊過程若發生在泵體流道及葉輪的表面附近，就會形成高強度高頻率的沖蝕，葉輪材料表面在水汽混合的反復沖刷下，最終導致材料疲勞，進而遭到破壞。另外，水中溶解的自由氧也會對葉輪及流道表面的產生電化學腐蝕，加速材料的損壞。上述過程中汽泡的產生、破裂以及水流的沖刷致使葉輪和流道表面材料疲勞、損壞的過程，即為汽蝕。

2 汽蝕的危害

水泵的運行一旦發生汽蝕，不僅會給設備本身帶來損傷，也會影響系統工作的安全。主要表現在以下方面：

（1）產生振動和噪音。汽蝕發生時，往往伴有振動和噪音。汽泡的破裂和高速水流的沖刷會帶來很大的噪音。根據前文所述汽蝕發生的過程，反復的破裂和沖刷過程就會伴隨著很大的脈動力，如果脈動的頻率接近設備和系統的固有頻率，則容易產生共振。

（2）引起材料的損壞。根據汽蝕發生的機理，由于水汽的沖刷和電化學腐蝕的共同作用，致使葉輪和流道表面受到損壞。

（3）導致性能的下降。當汽蝕繼續發展，將產生大量汽泡，嚴重堵塞流道的截面，使流體通流面積下降，從而引起揚程下降，效率也會降低，影響泵的運行。

2 汽蝕余量的定義

汽蝕余量是用來描述水泵汽蝕特性的重要參數，通常用△h 表示。

就同一臺水泵而言，吸入裝置條件的變化可能直接導致汽蝕的發生。因此，我們把吸入裝置條件所確定的汽蝕余量稱為有效汽蝕余量，符號為Δha。根據圖1 所示，定義式如下：

圖1 水泵系統示意圖

根據伯努利方程：

因此有，

相同工況條件下，有的泵會發生汽蝕，而其他型號的泵則可能正常運行。因此，汽蝕的發生還與泵本身的汽蝕特性有關聯。我們把該項條件所確定的汽蝕余量稱為必需汽蝕余量，符號為Δhr。定義式如下：

式中λl，λ2為壓降系數。

Δha和Δhr與流量的變化關系曲線見圖2 所示。

由圖2 可知，Δha和Δhr相交于C 點，此時，△ha=△hr=△hc，該工況點即為汽蝕臨界點，對應的流量為Qvc。當運行流量小于Qvc時，有效汽蝕余量減去流體汽化壓力后的富余壓頭足以克服吸入口所產生的壓降，此時，泵的運行處在安全區。反之，則泵的運行處在汽蝕區。

即保證泵不發生汽蝕的條件為Δhr＜Δha。

4 汽蝕特性的數值研究

本文以離心泵為例進行建模，葉輪直徑尺寸為300mm，數值計算時模擬轉速為1450r/min。

圖2 Δha 和Δhr 與流量的關系曲線

首先對泵體內流場區域進行網格劃分，利用Gambit 軟件進行處理，采用結構化和非結構化相結合的混合網格，網格劃分數量約為35 萬。計算模型采用κ-ε 湍流模型，采用速度入口作為進口的邊界條件，流體出口設為自由出流。泵體內壁則定義為靜止光滑的壁面，但是對于壁面的附近，則會產生很強的對流，因此在壁面附件采用標準的壁面函數模型。其次，對泵的設計工況時改變吸入口的壓力，對吸入口的壓力由設計工況逐漸降低，此時，裝置的有效汽蝕余量就會減小，對數據進行整理，繪制出不同入口壓力下泵的汽蝕特性曲線，見圖3 所示。

圖3 汽蝕特性曲線

由圖3 可知，當Δha在7 ～9 區間時，揚程曲線開始呈現下降趨勢。此時，在泵內流道區域會產生一定量的氣泡，并逐漸堵塞流道，就會導致泵的揚程出現下降。當繼續將Δha減小時，揚程則呈現快速下降的趨勢，這時，會在泵體的流道區域聚集了大量的氣泡，幾乎占滿了通流空間，葉輪已經無法正常對通流液體進行做功，才會出現泵的揚程迅速下降的情況。

圖4 葉輪區域壓力分布圖

圖4 給出了葉輪區域壓力分布圖，從圖中可以得出，葉輪進出口壓力呈現明顯的梯度分布，自進口的低壓區至出口的高壓區。在葉輪出口處，葉片尾部的區域流體壓力最大，而在葉輪進口處，葉片頭部的壓力為最小，也就是此處，最先且最容易發生汽蝕；并且此處的也拼應力變化很大，運行環境惡劣，容易造成材料疲勞，進而引起安全隱患。

圖5 給出了不同有效汽蝕余量對葉片表面氣泡體積分數影響的分布圖。紅色區域為汽泡集中分布區域，表面此處已經發生汽蝕。藍色區域為無汽泡的區域。

從圖中可以得出：當Δha=9m 時，在葉輪的頭部區域只有少量的氣泡分布，此時，少量氣泡幾乎對泵的性能不產生影響。當Δha=7m 時，泵內的汽蝕發生了惡化，從頭部區域發展到了流道區域，造成了通流區域的堵塞，使得泵無法正常對流體做功，因此，導致泵的性能下降，揚程和效率均降低，并伴有振動和噪聲的產生。伴隨著進口壓力的不斷降低，裝置的有效汽蝕余量也隨之降低，氣泡面積逐漸增大，并開始占滿葉輪通流區域，嚴重阻礙了葉輪的正常做工，進而影響了泵的揚程，使得揚程曲線呈現快速下降的現象，因此，也就很好解釋了泵在嚴重汽蝕時會出現斷裂工況這一現象。

5 結語

本文對泵的汽蝕特性進行了分析，理論闡述了泵汽蝕產生的機理，定義了泵的汽蝕余量，并進一步建立泵的模型，設置計算條件，數值研究了泵的汽蝕特性，揭示汽蝕特性的影響因素及變化規律，更好地服務工程項目泵站的系統設計。

圖5