摘要:空化是发生在液体中非常复杂的流体动力学现象,而该现象牵扯到众多的工程领域,例如水力机械、水利、船舶、水中兵器等。对空化的关注主要是在空化发生过程伴随着效率损失、材料表面破坏、水体阻力增大、压力波动、振动以及噪声等诸多危害。另外,也涉及空化清洗、超空化等有益应用。因此近几年来空化初生机理以及其发生过程的研究越来越受关注。对空化初生的概念、空化数表达式和空化初生的判断方法进行归纳总结,以进一步扩展空化方面的研究思路并对未来研究趋势进行展望。
关键词:水力机械;空化初生;空化数表达式
中图分类号:TQ051.21文献标识码A
1空化初生的概念与空化数表达式
空化初生是空化发展过程中一个很重要的阶段。目前对空化初生并没有十分明确的定义,李子丰指出当压强不变流速增加或者在流速不变压强降低的情况下,流场中某些极小区域偶然初次出现微小空穴的临界状态称为空化初生状态［1］。通常来说,对于普通离心泵的空化初始监测是极其困难的,只有当泵内的空化发展至极其严重的状态才能够判断。但是通过提前分析监测水力机械的空化初生现象,可以较早地观测泵内的气泡分布,从而在空化流动中通过气泡分布与外特性之间的关联判断泵空化发展的程度。
由于空化发生的主要影响因素是压强与流速,故1924年Thomas提出用一个无量纲数σ来表示流体空化现象的发展。一般地,σ值又被称为空化数,它是水动力学和流体力学中一个十分重要的相似参数。在空化理论中一般把液体的饱和蒸汽压力看作是液体产生空化这一现象的临界压强。
同时研究表明:如果把液体(以水为例)理想地看作是纯净无杂质的,此时抗拉强度是很大的,这也意味着在纯水中发生空化是几乎不可能的。然而水中一旦含有了杂质和气核后,液体内部的张力将超过液体分子间存在的吸引力,此时水的抗拉强度会大幅下降。故Keller等采用液体的抗拉强度作为空化的临界压强来定义空化数
2空化初生的判断方法
通过查阅资料并总结整理,详细的水力机械空化初生判断依据及其优缺点如下:
2.1系统最低压强法。由液体压强是否低于其饱和蒸汽压来判断是否空化初生。该方法的优点是准确度高,测量精确度较高,缺点是仅适用于检测已有的水流设备或系统。
2.2声压级差法或基于EMD的噪声能量法。水听器需紧靠空化源设置,当声压级差达到5dB或10dB时,空化初生;或采用EMD算法对空化噪声信号或特征量进行分析处理。该方法的优点是能够较好地反映离心泵空化发展的过程与空化形态的转变,缺点是空化测试系统组成复杂且价格昂贵,所需的测试水平较高。
2.3气泡动力学法
以单相流流场计算结果为起始,利用气泡动力学对空化初生进行预测。该方法的优点是可获得与试验比较接近的预测结果,缺点是数值计算略显复杂且所需的监测点较多。
2.4自相关－小波分析法
基于自相关－小波分析法对离心泵入口压力脉动信号进行分析处理,获得初生空化信号的各尺度频谱与能量特征值。该方法的优点是可提取离心泵空化初生的特征,并能找到初生状态点,为定性诊断、定量识别空化初生状态提供有效依据,并能够很好地检测空化初生与空化形态的转变;缺点是数学推导复杂,理论与工程实践结合需要深入研究。
2.5Joseph改进汽化压力法
考虑运动流体各向异性的流动结构,提出一种改进的汽化临近压力准则,用运动液体的总应力来表达结果。该方法的优点是计算精度高,为数值计算奠定了一定的基础;缺点是运动液体总应力的测量会导致部分计算失真。
2.6小波熵方法
通过分析小波基选择、窗口滑动步长及窗口宽度等参数对小波熵数值的影响,从而检测空化初生并识别空化状态。该方法的优点是仅侧重于对空化状态的检测,算法简单,计算量小,可以实现状态的在线检测和监测,且在实践中易于实现,具有很好的应用前景。
2.7最大应力判据法
同时将各向同性非黏性项的贡献(正应力)和各向异性黏性项的贡献(剪切应力)考虑在内,提出无量纲的应力系数Cp－Cf＜－σ这一判据。该方法的优点是便于评价各向异性的黏性项(剪切应力)的影响。
2.8并行组合模拟退火算法(PＲSA算法)
选用变异参数、歪度、平均频率、平均频度规律度、均方比、峭度和对数比七个原始特征参数值,按照PＲSA算法,找出最佳特征参数,可以有效识别正常和空化初生的信号。该方法的优点是具有自适应优化搜索特性和较强的局部搜索能力,同时不遗漏最优解且运算速度较快。
其中,小波熵方法、最大应力判据法和并行组合模拟退火算法(PＲSA算法)较为前沿,在实际应用中的相关算例较少,缺点与不足之处仍有待发现。
近年来,随着多传感器数据融合技术日趋成熟,在现代测试信息处理中得到了广泛的应用,奇异值分解和人工神经网络相结合,利用神经网络对喷水推进泵的空化状态进行分类识别研究,发现基于ＲBF网络的分类识别效果优于BP网络;且经奇异值分解融合后,分类识别率明显提高,改善了对空化初生阶段微弱特征的检测识别效果［2］。贺国等根据离心泵的特点对标准倍频带进行改进,同时构建了振动信号的特征向量并利用BP神经网络对离心泵的空化状态进行识别,研究证实改进后的倍频带较之于标准倍频带能更为有效地提取离心泵空化振动信号的特征,结合两处振动信号的频带特征可以提高对正常状态和空化程度较轻状态的识别率。为了更好地改善空化状态的识别效果,提出一种基于深度学习的离心泵空化状态识别方法,试验表明,尤其是对于弱空化状态,深度学习网络的识别效果比BP神经网络更好［3］。
结束语
通过分子动力学模拟方法,研究了水分子系统在存在不同初始尺寸空化核时以及在不同亚稳态情况下空化初生的瞬态特性,空化初生作为空化现象的起始阶段,对于流体机械,特别是对水力机械的外特性有着十分重要的影响。笔者主要对近年来学界对于空化初生数的表达式以及对空化初生这一现象的判断方法进行总结与归纳,期望对从事水力机械和空化问题研究的工作者在空化初生这一问题的研究上开拓思路,进而可以深入钻研空化发展乃至严重空化阶段对水力机械外特性的影响,最终期待在未来能够深刻把握流体机械的空化机理与空化特性,对整个流体行业的研究与设计工作做出更大的贡献。
参考文献:
[1]水泵水轮机泵工况下内部空化特性分析[J].李琪飞,张建勋,刘萌萌,刘谦.热能动力工程.2017(10)
[2]分流叶片对离心泵非定常空化流动特性影响分析[J].张兴,赖喜德,廖姣.热能动力工程.2017(04)
[3]叶轮进口边型线对两级离心泵空化及非定常流动特性的影响[J].徐磊,陈二云,李国平,杨爱玲.热能动力工程.2016(07)