基于Liutex方法的轴流泵涡空化脱落机制数值研究——叶顶泄漏涡空化、二次叶顶泄漏涡空化与垂直涡空化的耦合周期性脱落

《Case Studies in Thermal Engineering》：Vortex cavitation shedding mechanisms in an axial-flow pump: A Liutex-based numerical investigation

　　

本研究针对轴流泵在极端非设计工况下复杂涡空化的脱落机制开展数值研究。采用Liutex涡识别方法准确捕捉涡结构，研究人员分析了三种不同涡空化的完整生命周期：叶顶泄漏涡空化（TLVC）、二次叶顶泄漏涡空化（S-TLVC）和垂直涡空化（PVC）。结果揭示了这些空化结构脱落的潜在机制。对于TLVC，流量降低削弱了叶顶泄漏射流的周向动能，这似乎导致涡的积聚并转变为扭曲涡（TV）。空化的存在进一步诱导螺旋形态的形成。S-TLVC的脱落被认为由轴向速度梯度诱发，该梯度源于空化保护的前部与受射流影响的后部之间的不均匀遮蔽。此外，PVC被认为起源于S-TLVC脱落之后形成的再入射流；其与周向流的相互作用可能产生垂直涡并驱动空化脱落。值得注意的是，涡空化的周期性脱落由S-TLVC和PVC的交替生成维持，形成循环模式。这些发现阐明了涡空化脱落过程中涡量与相变之间的耦合动力学，并为制定针对性控制策略以减轻流体机械空化损伤提供了理论基础。

研究背景与问题：流体机械中叶片-流体作用会产生复杂涡结构，扰动主流动、再分配能量，并导致性能下降、振动和噪声。高转速或低入口压力使局部静压低于饱和蒸汽压时发生空化；空化与既有涡流耦合形成涡空化（vortex cavitation，空化与涡量耦合结构），其中叶顶泄漏涡空化（TLVC，由叶顶泄漏涡卷吸空化形成）最具代表性。已有研究解析了TLVC形态演化与形成机制，并发现垂直涡空化（PVC）和二次叶顶泄漏涡空化（S-TLVC）与叶顶间隙回流、逆压梯度和主流-泄漏流强剪切相关。但空化脱落机制仍不明确：云空化多归因于再入射流（re-entrant jet，反向回流射流）或塌缩激波样机制，且依赖工况；涡空化脱落发生在涡核内，受涡卷吸、旋转与汽相持续作用，涉及涡量输运、涡破裂和空化诱导涡强变化，较云空化更复杂。脱落涡空泡携带集中涡量和汽相向下游输运，崩灭位置随机，可能在叶片压力面、轮毂或下游导叶造成不可预测侵蚀。因此，有必要研究极端非设计工况下TLVC、S-TLVC和PVC的耦合交替脱落机制。

研究开展与结论：研究人员采用实验与瞬态RANS数值模拟，结合Liutex涡识别，研究轴流泵在Q=0.8Q_BEP、σ=0.63和σ=0.37等工况下的涡空化演化；识别稳定耗散、渐进脱落和漂移脱落三类现象，并聚焦后两类。结论为：低流量削弱叶顶泄漏射流周向动能，使TLV积聚并向轮毂扩展，形成TV；空化使TVC呈螺旋形；S-TLVC因前缘空化积累造成半遮蔽，S-TLV前后轴向速度差增大而脱落；S-TLVC脱落后形成再入射流，其与周向主流作用生成PV并驱动PVC脱落；S-TLVC与PVC交替生成维持周期性脱落。其意义在于为减轻流体机械空化损伤的控制策略及多相涡动力学理解提供依据。

关键技术方法（≤250字）：研究依托江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心Φ250 mm轴流泵闭式试验台开展外特性与高速摄影实验（1024×1024像素、4000 fps，水温25±2 °C），并采用瞬态RANS结合SST-CC k-ω湍流模型与ZGB空化模型进行数值模拟，以Liutex方法识别涡结构；计算采用ANSYS CFX 17.0，网格约8.9×10⁶节点，时间步为1/360旋转周期，模拟10转以上并覆盖5个以上完整脱落周期。

研究结果：

4.1 渐进脱落（Gradual shedding）：实验与数值对比表明，稳定耗散时空化少并随TLV传播耗散；渐进脱落时环境压力降低、空化增多，S-TLV在TLVC下方低速区发展并吸收多余空化，涡空化形态随时间小变。

4.1.1 TLVC/TVC脱落：在Q=0.8Q_BEP、σ=0.63下，Liutex捕获到TV；TLV周期性破碎为具周向和轴向涡量的螺旋TV，周向涡量来自TLV分离，轴向涡量来源尚待研究，近端壁流速低于远端壁。

4.1.2 TV形成机制：比较不同工况TLV结构与周向速度发现，非空化σ=1.48下流量降低使TLV周围流速降低并失稳，0.8Q_BEP时尾部因推力不足崩溃脱落并转为沿轴旋转TV；空化σ=0.37下高流量强动能维持TLV，低流量时TLV减弱、过量空化失控并从尾部脱落，使TLV呈螺旋。角速度分析显示TLV核心周向速度低于周围，流量降低使整体和核心周向速度下降，核心低于阈值即失稳分离；空化被TLV卷吸，核心空化阻碍流动并形成逆压梯度，降低核心周向速度并提前脱落位置。泄漏射流分析表明：流量降低增强间隙压差（λ<0.5更明显），降低射流周向分量和射流与周向夹角；高压差区由叶片中部前移并增强，因前缘攻角最小、向后缘增大，射流角与泄漏位置攻角相关，高压差区前移使射流与周向夹角增大、周向分量减小。TV机制概括为：高流量TLV细长稳定；流量降低使射流角变化、周向分量下降，TLV内低速区阻碍周向传输并积聚；周向速度进一步降低且近端壁，TLV只能向轮毂侧扩展；积聚部分在低速区和主流对流下分裂为TV，产生正负垂直涡量；无空化时TV呈柱状垂直涡量，若有空化，轴向主流绕过TV捕获的空化，最终形成螺旋TVC。

4.2 漂移脱落（Drift shedding）：选取Q=0.8Q_BEP、σ=0.37，模拟能有效捕捉实验漂移脱落。

4.2.1 脱落演化：通过两叶片同一时段表面空化和涡演化，识别TLVC、S-TLVC和PVC；叶片I中A1受TLV影响，TLV破碎为TV时TV抑制空化耗散；B1受S-TLV控制，强度较低，与A1在t₀+3T/24相互作用，t₀+8T/24合并为更强周向涡并使空化增大，对应实验尾部大脱落空化；C1由PV控制，但本次PV强度不足而迅速耗散。叶片II补充PV完整周期：PV1生成后先与下方S-TLV作用并提取涡量，再与刚脱落TV合并；C2脱落生成PV2，PV2强度低不能同时吸收S-TLV和TV，t₀+7T/24分裂，上部与TV合并增强，另一部t₀+9T/24耗散。多转和多叶道检查显示完整序列不总出现，有些周期S-TLVC不发展为完全PVC或PVC未到相邻叶片前崩溃；S-TLV可在有利局部流场独立发展，PVC叶间输运只增加非定常源。

4.2.2 S-TLVC脱落机制：通过表面径向Liutex、轴向速度和流速分析，B1发展与膨胀时其与吸力面接触点出现显著正径向涡量并持续至脱落；S-TLV与TLV均由叶顶泄漏流产生，前缘一定规模空化削弱TLV影响，为S-TLV发展创造环境；近端壁空化阻碍叶顶泄漏射流，使S-TLV前后轴向速度失同步，速度差增大导致S-TLV及其涡空化被扭断脱落；S-TLV存在减轻再入射流对根部侵蚀，未脱落时低速区较弱，脱落后低速区增强，再入射流作用于主空化并导致PVC生成和脱落；PVC分离后主空化恢复到适合S-TLV发展的尺度，S-TLV再生并启动下一周期。

4.2.3 PVC脱落机制：通过C1/C2表面轴向Liutex和周向速度分析，两空化脱落时均有轴向Liutex，表明PV存在；C后方强低速区产生再入射流，其与主流作用产生对流剪切，使C依次从主空化脱落并可能促进PV形成，低速区强度与PV强度正相关，故C2的PV比C1明显。PVC脱落分三阶段：I 空化在TLV影响下积累于吸力面，形成压差，逆压梯度在主空化后方形成低速区并抑制其向后传播；II 主空化受阻继续积累，逆压增大使低速区达到产生再入射流强度，再入射流破坏流向，相关空化向轮毂径向移动并受主流影响；III 空化在主流和回流射流共同作用下沿轴旋转，可能诱导PV生成，PV旋转使C从主空化脱落并沿主流向后运动；主空化减弱降低逆压梯度，促进S-TLV在减弱低速区形成。

讨论部分总结：作者指出，本研究主要聚焦TV结构及其脱落行为，这是主要创新；PVC与S-TLV已在前期研究中详述，本文仅简要回顾以形成完整图景并避免冗余；所提机制主要基于涡形态与流场结构的定性观察，尚缺直接定量因果证据，应视为与观测一致的合理假设，而非定量证明的结论；本文报道的新流动行为可为后续更全面数据研究提供启发。

研究结论翻译：本研究对极端非设计工况下轴流泵涡空化脱落进行数值研究，重点关注TLVC、S-TLVC和PVC三种空化模式，并采用Liutex涡识别方法表征涡结构。主要发现为：极端非设计工况下，TLVC由常规细长涡转变为扭曲螺旋结构TV，并伴随空化周期性从主涡脱落；吸力面发达空化时，TLVC下方出现S-TLV并演化为独立空化结构S-TLVC，最终从叶片表面脱落；S-TLVC脱落后，前缘附近生成PVC并周期性脱落；S-TLVC与PVC交替发生，形成循环脱落模式。机制方面：TV形成与低流量下叶顶泄漏射流周向动能降低有关，阻碍TLV下游输运，使其积聚并向轮毂延伸；轮毂与端壁间速度梯度产生轴向涡量，驱动TLV向TV转变；空化条件下轴向主流被迫绕过充汽TV核心，可能放大周向涡量并促成TVC螺旋构型。S-TLVC脱落与前缘附近空化积累诱导的半遮蔽效应有关；S-TLV前部被空化遮蔽，后部持续受叶顶泄漏射流影响，可能沿S-TLV产生轴向速度梯度并最终导致脱落。PVC脱落源于S-TLVC脱落后发展的再入射流；再入射流与周向主流相互作用可能诱导轴向旋转，形成PV并促进PVC脱落。三种机制并非独立；PVC脱落后吸力面低速区减弱，似乎允许S-TLV再现，启动下一脱落周期；S-TLVC与PVC耦合建立周期性脱落模式，是本文中心发现。从热流体工程角度，涡空化脱落伴随能量耗散和局部压力波动，与局部温降和传热等热效应密切相关，理解这些脱落行为可为水力机械热管理和性能优化提供启示。限制：本研究主要关注TV结构及其脱落行为，构成主要创新；PVC和S-TLV已在前期发表中详细研究，本文简要回顾以呈现完整图景并有意保持简洁；所提机制主要基于定性观察，尚无直接定量因果证据，应视为与观测一致的合理假设而非定量证明结论；新流动行为可为未来研究提供启发。