导读：在旋转机械研发领域，空化模拟与汽蚀余量计算始终是横亘在研发人员面前的两座大山。空化现象作为一种复杂的多相流问题，涉及到流体的相变、湍流以及界面的相互作用 ，其模拟过程极具挑战性。研发人员需要精确考虑流体的物理性质，如密度、粘度、表面张力和饱和蒸汽压等，任何一个参数的偏差都可能导致模拟结果的巨大误差。而且，空化过程中气泡的生成、生长、运动和溃灭，伴随着复杂的能量转换和质量传递，现有的数值模拟方法很难全面、准确地捕捉这些细节。例如，在某些高转速、高压力差的旋转机械中，空化气泡的溃灭时间极短，对计算的时间步长和空间分辨率要求极高，这给模拟计算带来了极大的计算成本和技术难题。 汽蚀余量计算同样面临着重重困难。它是评估旋转机械抗汽蚀性能的关键指标，其计算精度直接关系到设备的安全稳定运行 。然而，在实际计算中，受到多种因素的影响，很难获得精确的结果。从内部因素来看，旋转机械的叶轮形状、叶片数、进出口直径等几何参数，以及流体在叶轮中的流动状态，如流速分布、压力分布等，都对汽蚀余量有着显著的影响。不同的设计参数组合会导致不同的汽蚀余量计算结果，如何准确考虑这些参数的综合作用，是研发人员需要解决的难题。从外部因素来说，流体的温度、压力、含气量以及输送管道的特性，如长度、直径、粗糙度和弯头数量等，也会改变汽蚀余量的数值。而且，这些外部条件在实际运行中往往是动态变化的，这进一步增加了汽蚀余量计算的复杂性。此外，目前的汽蚀余量计算方法大多基于经验公式或简化的理论模型，这些方法在某些特定条件下可能具有一定的准确性，但在复杂工况下，其计算结果与实际情况可能存在较大偏差。 为此，我在仿真秀官网发布《离心泵水力设计仿真与性能优化方法29讲》视频教程中，对空化模拟与汽蚀余量计算进行详细讲解，欢迎读者试看。当前，我还对这个视频课程增加CFTURBO内容（免费加餐），希望让学员获得更多知识，详情见后文。 空化现象的产生源于流体在流动过程中局部压力的急剧下降。当流体某区域的压力降低到低于其饱和蒸汽压时 ，原本溶解在液体中的气体便会迅速析出，或者液体本身会发生汽化，形成大量微小的气泡，这些气泡在流场中随着流体一起运动。在气泡随流体进入压力较高的区域时，外部压力大于气泡内部压力，气泡就会迅速溃灭。这一过程伴随着巨大的能量释放，会在局部产生极高的压力和温度，以及强烈的冲击波和微射流 。 空化现象对旋转机械的性能有着诸多负面影响。在能量转换效率方面，气泡的存在会扰乱流体的正常流动，增加流动阻力，使得旋转机械需要消耗更多的能量来维持运转，从而降低了能量转换效率。比如在水泵中，空化可能导致水泵的扬程和流量下降，无法满足实际的供水需求。从机械结构的耐久性来看，空化产生的高压冲击波和微射流不断冲击旋转机械的过流部件表面，如叶轮、叶片和蜗壳等，长期作用下会使材料表面出现疲劳损伤，逐渐形成麻点、凹坑，甚至导致材料脱落，大大缩短了设备的使用寿命。以水轮机为例，严重的空化侵蚀可能在短时间内就对水轮机的叶片造成不可修复的损坏，影响水电站的正常发电。此外，空化还会引发强烈的振动和噪声，不仅影响设备的运行稳定性，还会对工作环境造成噪声污染，危害操作人员的身体健康。 空化模拟涉及到复杂的相变过程，这是其中一个关键的技术难题。在空化过程中，液体与蒸汽之间不断进行相变，即液体汽化形成蒸汽气泡，蒸汽气泡又在高压区域冷凝重新变为液体 。准确描述这种相变过程需要考虑多种因素，如汽化和冷凝的速率、相变过程中的能量传递等。然而，目前的数值模型很难精确地模拟这些复杂的物理过程。不同的相变模型在描述汽化和冷凝机制时存在差异，导致模拟结果的不确定性。而且，相变过程与流场的相互作用非常复杂，流场的变化会影响相变的位置和速率，反过来相变产生的气泡又会改变流场的结构和流动特性，这种强耦合关系增加了模拟的难度。 空化模拟中的两相流问题也极具挑战性。空化发生时，流场中同时存在液体和蒸汽两种相态，它们之间的密度、粘度等物理性质差异巨大，这使得流场的计算变得异常复杂。两种相态之间的界面在不断变化，气泡的生成、生长、合并和溃灭导致界面的形状和位置时刻都在改变，如何准确捕捉和追踪这些界面是模拟中的一大难点。现有的界面捕捉方法，如 VOF（Volume of Fluid）方法、Level Set 方法等，虽然在一定程度上能够处理界面问题，但在处理复杂的空化流动时，仍然存在精度不足、计算量大等问题。而且，两相流中的相间作用力，如浮力、表面张力等，也需要精确考虑，这些力的作用会影响气泡的运动轨迹和分布，进而影响整个空化过程的模拟结果 。 当前的空化模拟方法还存在一些局限性。很多模拟方法基于简化的假设和模型，无法全面考虑空化过程中的各种物理现象。在一些模型中，可能忽略了液体的可压缩性、表面张力的微观效应以及空化核的影响等，这些简化虽然在一定程度上降低了计算难度，但也导致模拟结果与实际情况存在偏差。模拟的计算成本也是一个重要问题。空化模拟通常需要求解复杂的偏微分方程，对计算资源的需求非常高。为了提高模拟的精度，往往需要采用更小的计算网格和更短的时间步长，这会使得计算量呈指数级增长，即使使用高性能的计算机集群，也可能需要耗费大量的时间和计算资源，限制了模拟在实际工程中的应用 。 汽蚀余量，全称为净正吸入压头（Net Positive Suction Head，简称 NPSH） ，是指在泵吸入口处单位重量液体所具有的超过汽化压力的富余能量，单位通常用米水柱来表示。从物理意义上讲，它反映了液体在进入泵体时所具有的能量储备，用以克服泵进口到叶轮入口处的压力降，防止液体在泵内发生汽化。简单来说，汽蚀余量越大，就意味着泵在运行过程中越不容易发生汽蚀现象。当泵的汽蚀余量不足时，液体在泵的入口处就可能会因为压力降低到汽化压力而发生汽化，形成大量的气泡。这些气泡随着液体进入叶轮内的高压区时，会在周围高压液体的作用下急剧溃灭，产生强烈的水击作用，对叶轮等过流部件造成严重的破坏，进而影响泵的性能和使用寿命 。 汽蚀余量对于保障旋转机械的安全稳定运行具有不可替代的重要意义。在各类旋转机械中，如水泵、油泵、压缩机等，泵是最常见且广泛应用的设备之一，其运行状态直接关系到整个系统的正常运行。以工业生产中的供水系统为例，水泵作为核心设备，若其汽蚀余量不足导致汽蚀现象发生，会使水泵的扬程和流量下降，无法满足生产过程中的用水需求，影响生产效率。严重的汽蚀还可能导致水泵叶轮损坏，需要频繁停机维修或更换部件，不仅增加了维修成本和停机时间，还可能引发生产事故，给企业带来巨大的经济损失。在水利工程领域，大型水泵机组的汽蚀问题会影响灌溉、排水等作业的正常进行，威胁农业生产和防洪安全。在船舶的动力系统中，泵的汽蚀会影响船舶的航行性能和可靠性。因此，准确计算和合理保证汽蚀余量，是确保旋转机械安全、高效运行的关键环节 。 汽蚀余量的计算方法主要包括理论计算和实验测量两种。理论计算方法是基于流体力学和热力学原理，通过一系列的公式和模型来计算汽蚀余量。在离心泵中，常用的汽蚀余量计算公式为： 其中NPSH表示汽蚀余量，
是泵吸入口处的压力，ρ为液体密度，g是重力加速度，
是泵吸入口处的流速，
是液体在工作温度下的汽化压力 。这个公式是根据伯努利方程推导而来，它考虑了液体在泵吸入口处的压力能、动能以及液体的汽化压力等因素。然而，在实际应用中，理论计算往往存在一定的局限性。首先，公式中的一些参数，如泵吸入口处的压力和流速分布，很难准确测量或计算。泵的内部流场非常复杂，存在着各种流动损失和局部阻力，这些因素会导致实际的压力和流速分布与理论计算值有较大偏差。而且，理论计算通常基于一些简化的假设，如将液体视为不可压缩流体、忽略流体的粘性和表面张力等，这些假设在某些情况下可能不成立，从而影响计算结果的准确性 。 实验测量方法是通过在实际的泵装置上进行实验，直接测量泵在不同工况下的汽蚀余量。实验测量通常采用的是改变泵的吸入条件，如调节吸入管路的阀门开度、改变吸入液面的高度等，同时监测泵的性能参数，如流量、扬程、功率等，当泵的性能出现明显下降时，对应的吸入条件下的汽蚀余量即为实验测量的汽蚀余量。这种方法能够直接反映泵在实际运行中的汽蚀情况，具有较高的可靠性。但实验测量也面临着诸多挑战。实验需要专门的实验设备和场地，成本较高。而且，实验过程较为复杂，需要严格控制实验条件，以确保实验结果的准确性和重复性。实验测量只能针对特定的泵和工况进行，对于不同类型的泵或不同的运行工况，需要重新进行实验，这使得实验测量的通用性较差。实验测量还受到测量仪器精度和测量方法的限制，可能会引入一定的测量误差 。 在实际应用中，汽蚀余量的计算还面临着许多复杂的因素。旋转机械的运行工况往往是动态变化的，流量、扬程、转速等参数会随着实际需求的变化而改变，这使得汽蚀余量也会随之变化。在某些工业生产过程中，泵的流量可能需要根据生产线上的物料变化进行频繁调整，在不同的流量下，泵内的流场结构和压力分布都会发生变化，从而影响汽蚀余量的大小。流体的物理性质，如密度、粘度、表面张力和汽化压力等，也会随着温度、压力等条件的变化而改变，进而对汽蚀余量产生影响。当输送的液体温度升高时，其汽化压力会降低，这就增加了汽蚀的风险，对汽蚀余量的要求也会相应提高。此外，旋转机械的内部结构和表面粗糙度等因素也会影响汽蚀余量的计算。叶轮的形状、叶片数、进出口直径以及叶轮与泵壳之间的间隙等结构参数，都会改变泵内的流场特性，从而影响汽蚀余量的大小。叶轮表面的粗糙度会增加流体的流动阻力，导致压力损失增大，进而降低汽蚀余量 。 在我的Fluent离心泵水力设计仿真与性能优化方法课程，通过 “设计计算→三维建模→CFD 仿真→后处理预测” 完整闭环，以真实案例（清水泵 ）为驱动，详细讲解了离心泵的设计过程，同时，特定章节还针对离心泵的空化模拟，进行了比较详细完整的仿真流程，从额定工况验证到临界空化点捕捉，一步步算出泵的汽蚀余量（NPSH），让空化问题 “可视化” 解决。我们来具体看一下：
1、离心泵空化模拟实操
模拟思路：贴合工程实际的 “三步走” 逻辑
第一步：额定工况流体仿真，初始流场稳定
先不着急做空化，而是先模拟泵在额定流量下的常规运行状态，重点计算扬程、
流量。这一步的目的是验证流场合理性 —— 如果额定工况下的扬程都和设计值对不上，后续空化模拟就成了 “空中楼阁”。案例通过稳态仿真，先让叶轮、蜗壳内的流场稳定，确保速度、压力分布符合流体力学规律，为后续空化分析铺垫可靠的初始条件
第二步：开启 Mixture 混合模型，捕捉初生气泡
空化本质是气液两相流动，案例选择行业常用的Mixture混合模型 —— 它既能高效计算气液两相的混合运动，又不用像VOF模型那样追求极高的网格分辨率，兼顾精度和计算效率。开启模型后，重点观察叶轮进口边、叶片前缘区域的压力变化，当局部压力低于介质蒸汽压时，会出现微小气泡，这就是空化的 “萌芽状态”，此时会先记录下这个初始压力值。
第三步：逐步降进口压，找 “扬程下降 3%” 临界值
空化发展到什么程度会影响性能？行业公认的判据是 “扬程下降
%3”。案例通过逐步降低泵的进口压力（可每次微调5-10KPa，避免流场波动），观察扬程变化趋势：当压力降到某一数值时，扬程突然下降
%3，这个压力就是 “临界空化进口压力”。再结合公式 NPSH = (进口压力 - 蒸汽压)/ρg，就能精准算出泵的汽蚀余量，为后续选型、安装（比如确定泵的安装高度）提供直接依据。
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《离心泵水力设计仿真与性能优化方法29讲》
第1讲：叶轮主要参数的初步计算
第2讲：叶轮轴面投影图绘制
第3讲：过水断面与流道中线关系的检查
第4讲：叶轮后盖板流线分点
第5讲：叶片进口边的确定
第6讲：叶轮进口角度的确定
第7讲：叶轮包角的确定方法
第8讲：叶轮包角的确定方法
第9讲：方格网保角变化绘制叶片
第10讲：轴面投影图截线交点的求解
第11讲：轴面投影图上进行叶片加厚
第12讲：绘制叶轮平面图
第13讲：UG 绘制叶轮三维模型(叶轮水力设计完结)
第14讲：离心泵蜗壳流道的截面积计算
第15讲：螺旋线蜗壳平面图绘制
第16讲：UG 蜗壳流体域绘制
第17讲：UG 蜗壳隔舌的处理
第18讲：离心泵计算流体域的创建
第19讲：离心泵前处理 网格划分
第20讲：Fluent流体仿真求解
第21讲：Fluent 离心泵特性曲线参数化仿真
第22讲：SCDM 流体计算域的前处理
第23讲：Mesh 网格划分与加密
第24讲：Mesh 网格边界层的添加
第25讲：CFX 流体仿真求解设置
第26讲：CFD-POST后处理基本操作
第27讲：离心泵空化的模拟
第28讲：空化的模拟-初生阶段
第29讲：空化的模拟-汽蚀余量计算
第30讲 PCAD @柱形叶片设计
第31讲 PCAD 扭曲形叶片设计与木模图理解
第32讲 PCAD 离心泵蜗壳的设计
第33讲cFturbo 第一节 叶轮核心尺寸的计算
第34讲CFturbo第二节 叶轮轴面投影图的设计
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为了提升空化模拟精度和汽蚀余量计算准确性，研发人员不断探索新的模拟算法和计算模型。在空化模拟方面，一些先进的多相流模型逐渐崭露头角，如基于介观尺度的格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method，LBM） 。该方法从微观粒子的运动出发，通过建立粒子分布函数的演化方程来描述流体的宏观行为，能够自然地处理多相流和复杂边界条件，在捕捉空化气泡的动态行为方面具有独特的优势。相较于传统的计算流体力学（CFD）方法，LBM 在处理空化过程中的相变和界面问题时更加准确和高效。它能够更精确地模拟气泡的生成、生长和溃灭过程，以及气泡与周围流体之间的相互作用，为深入研究空化现象提供了更有力的工具 。 在汽蚀余量计算方面，人工智能和机器学习技术的应用为解决这一难题带来了新的思路。通过收集大量的旋转机械运行数据，包括不同工况下的流量、扬程、转速、压力、温度以及汽蚀余量等参数，利用机器学习算法构建汽蚀余量预测模型。支持向量机（Support Vector Machine，SVM）、人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）等算法在这一领域得到了广泛的应用。这些模型能够自动学习数据中的复杂模式和规律，从而实现对汽蚀余量的准确预测。与传统的基于经验公式或简化理论模型的计算方法相比，机器学习模型不受限于特定的假设和简化条件，能够更好地适应复杂多变的运行工况，大大提高了汽蚀余量计算的准确性和可靠性 。例如，某研究团队利用深度神经网络对离心泵的汽蚀余量进行预测，通过对大量实验数据的学习和训练，该模型在不同工况下的预测误差均控制在较小的范围内，为离心泵的设计和运行提供了重要的参考依据 。 解决空化和汽蚀问题，不能仅仅局限于流体力学领域，而需要通过多学科交叉融合的方式，从材料、结构设计等多个方面入手。在材料方面，研发新型的抗汽蚀材料是一个重要的研究方向。材料的抗汽蚀性能主要取决于其硬度、韧性、耐腐蚀性等特性。一些新型的金属材料，如镍基合金、钛合金等，由于其具有较高的强度和耐腐蚀性，在抵抗汽蚀侵蚀方面表现出了优异的性能。这些合金材料中添加了特定的合金元素，能够形成致密的氧化膜，有效阻止气泡溃灭产生的冲击波和微射流对材料表面的破坏。表面涂层技术也在不断发展，通过在旋转机械的过流部件表面涂覆一层抗汽蚀涂层，如陶瓷涂层、高分子聚合物涂层等，可以显著提高材料的抗汽蚀性能。陶瓷涂层具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性强等优点，能够承受汽蚀过程中的高压和高温冲击；高分子聚合物涂层则具有良好的柔韧性和缓冲性能，能够吸收气泡溃灭时产生的能量，减少对基体材料的损伤 。 从结构设计角度来看，优化旋转机械的叶轮形状和流道结构可以有效降低空化和汽蚀的发生概率。通过采用先进的设计方法，如基于计算流体动力学的优化设计、拓扑优化等，可以使叶轮的形状更加符合流体的流动特性，减少局部压力降和流速突变，从而降低空化的风险。在离心泵的叶轮设计中，通过调整叶片的进口角、出口角、叶片数以及叶片的曲率等参数，可以改善流体在叶轮内的流动状态，提高泵的抗汽蚀性能。合理设计流道的形状和尺寸，避免出现流道狭窄、转弯半径过小等容易引发空化的结构特征，也是优化结构设计的重要措施。此外，采用一些特殊的结构设计，如在叶轮前增加诱导轮、采用双吸式叶轮结构等，也可以有效提高旋转机械的抗汽蚀能力。诱导轮能够在液体进入叶轮之前对其进行增压，提高液体的压力储备，从而降低汽蚀的可能性；双吸式叶轮结构则可以使液体从叶轮两侧同时进入，平衡叶轮两侧的压力，减少汽蚀的发生 。 随着科技的飞速发展，旋转机械研发中空化模拟和汽蚀余量计算有望取得更大的突破。在模拟技术方面，计算能力的不断提升将使得更复杂、更精确的模拟成为可能。未来，我们或许能够实现全尺寸、全工况下的空化模拟，更真实地反映旋转机械内部的空化过程。多物理场耦合模拟技术也将得到进一步发展，将空化模拟与流固耦合、热传导等物理过程相结合，更全面地分析空化对旋转机械性能和结构的影响 。 在计算模型和算法方面，人工智能和机器学习技术将继续发挥重要作用。通过不断优化模型结构和算法参数，提高模型的泛化能力和预测精度，实现对汽蚀余量的实时、精准计算。同时，新的计算模型和理论也可能会不断涌现，为解决空化和汽蚀问题提供更坚实的理论基础 。 多学科融合的趋势将更加明显。材料科学、机械设计、流体力学等学科的交叉合作，将推动新型抗汽蚀材料和结构的研发取得更大进展。例如，智能材料的应用可能会为旋转机械的抗汽蚀性能带来质的飞跃，这些材料能够根据外界环境的变化自动调整自身的性能，有效抵御空化和汽蚀的侵蚀 。 未来，空化模拟和汽蚀余量计算在旋转机械研发中的应用将更加广泛和深入。通过不断攻克技术难题，提高模拟精度和计算准确性，为旋转机械的设计优化、性能提升和安全稳定运行提供更有力的支持，助力旋转机械行业迈向更高的发展水平 。
