空化是流体输送的透平机械中最关键且成本最昂贵的现象之一。它限制了运行范围，降低了效率，引起了噪音和振动——在最坏的情况下，甚至可能在短时间内导致不可逆的材料损坏。基于 CFD 的空化模拟是目前在设计阶段有效应对这一现象最可靠的工具。.

什么是空化——为什么它如此危险？

空化 指的是液体因压力下降而低于其蒸气压所导致的局部蒸发，且温度不升高。在涡轮机械中，这种压降通常发生在流动速度高的地方：例如泵叶轮的吸入口侧，螺旋桨叶片的压力缘，或者狭窄的间隙区域。.

产生的蒸汽气泡一旦进入更高压力的区域就会突然破裂。这种破裂会产生：

• 微脉冲射线 具有数千巴的局部压力峰值——磨损的主要原因（空化腐蚀）
• 压力脉动和振动, ，这对轴承、密封件和相邻结构造成了压力
• 学习发展 通过宽带声发射，发出特征性的噼啪声和敲击声。
• 性能骤降大空腔区域会阻塞流动横截面，导致扬程或推力崩溃

空化作为汽轮机限制现象

的 汽蚀是限制涡轮机械性能的现象, 在液体中运行。为了预测空化开始及其对机器性能的影响， CFD 模拟是最可靠的方法 并安装。几乎所有加速或偏转液体的机器类型都受到影响：

• 离心泵——尤其是在低吸入压力（NPSH低于临界值）时
• 船舶和水下螺旋桨——在重载或部分载荷运行时
• 水泵水轮机和水轮机（弗朗西斯、卡普兰、佩尔顿）——在部分负荷和过载范围内
• 高压系统中的液压马达和液压泵
• 火箭发动机和高性能泵中的感应器级

CFD 中的空化模拟：物理基础

现代CFD空化模型基于 两阶段方法该流体被建模为液相和汽相的混合物，其中局部蒸汽体积分数由输运方程控制。已建立的模型方法是：

• 施纳尔-萨尔模型基于简化的瑞利-普莱塞特方程用于气泡生长；已很好地验证了泵汽蚀
• Zwart-Gerber-Belamri 模型考虑气泡种群与传质之间的相互作用；广泛应用于工业领域
• 默克尔模型基于压力的传质方法，在瞬态计算中特别稳定

空化模型通过合适的 湍流模型 (k-ω SST, k-ε Realizable) 以及——如果需要——适用于低温流体或热水的热效应模型。.

CFD 气蚀模拟具体能做什么？

精心设置的空化模拟提供的不仅仅是关于是否会发生空化的信息。典型的结果包括：

• 空化起始确定临界工作点（压力、流量、转速），从该点开始发生气蚀——作为 NPSH 曲线和安全证明的基础。
• 空间空化传播视化叶片表面、通道或吸入口处的蒸汽体积分数——用于识别易受侵蚀的区域
• 汽蚀引起的性能下降根据空化指数 σ 量化扬程或推力下降
• 瞬态空化动力学周期性溃缩空泡结构（云空泡、片空泡）及其压力脉动仿真
• 侵蚀潜力图通过分析气泡破裂时的局部压力脉冲来识别材料去除区域

我们的工作流程：使用开源软件进行空化模拟

我们的空化模拟完全使用 开源软件 进行——主要是用 OpenFOAM 并嵌入到自动化 InsightCAE-工作流程:

• 几何与网格划分具有精细壁分辨率和空化易损区域网格加密的自动网格生成
• 住院术前检查快速评估打印场并识别无空化模型的关键区域
• 非定常空化模拟启用两相模型和计算随时间变化的空化行为
• 自动化后处理特性曲线评估、蒸汽体积百分比可视化、压力脉动分析
• 参数变化系统计算多个运行点以创建完整的NPSH曲线

空化模拟作为抗空化设计的依据

基于 CFD 的空化分析的真正优势不仅在于诊断，而在于 优化. 基于模拟结果，可以有针对性地推导和评估结构性措施：

• 叶片几何形状（型面形状、前缘、弯度）的调整以优化压力分布
• 进水压力和叶轮前吸压差的变化
• 已识别的侵蚀区域中耐空蚀材料的应用
• 用于降低NPSH的导向叶轮几何优化

结合我们自动化的优化框架，可以系统地研究许多几何变体的空化行为——每种变体无需额外的体力劳动。.

结论：在空化造成损坏之前进行计算

涡轮机械中的空化现象并非无法控制的宿命——它既可预测、可定位，也能通过有针对性的设计措施加以控制。基于OpenFOAM的CFD空化模拟为此提供了最精确且最具成本效益的工具：无需许可费用，可完全自动化，并能直接集成到设计流程中。.

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