这篇文档属于类型a，是一篇关于诱导轮（inducer）水力性能实验研究的原创学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：
一、作者与发表信息
本研究由Theodore Magne（Arts et Métiers Institute of Technology, CNAM, LIFSE, HESAM University）、Richard Paridaens（同机构）、Sofiane Khelladi（同机构）、Farid Bakir（同机构）以及Petar Tomov和Loic Pora（Safran Aircraft Engines燃料设备设计办公室）合作完成，发表于ASME《Journal of Fluids Engineering》2020年11月刊（Volume 142, Issue 11）。
二、学术背景
研究领域与动机
研究聚焦于离心泵上游轴向诱导轮（axial inducer）在空化（cavitation）和含溶解气体流体中的性能，属于流体机械与多相流（multiphase flow）交叉领域。工业背景源于航空发动机主燃油泵中诱导轮的关键作用：其通过提升入口压力抑制空化，但燃油中溶解的气体（如碳氢化合物）可能因压力变化析出（脱气，degassing），与空化耦合后影响泵性能。现有研究多关注纯液体空化，而溶解气体对空化动态的影响缺乏系统性探索，尤其是航空燃油（aviation jet fuel）的实验数据稀缺。
研究目标
- 对比两种三叶片诱导轮（U1和U2）在水、含溶解CO₂的水、航空燃油中的空化与非空化性能。
- 验证水-CO₂混合物能否替代昂贵的航空燃油实验，为工业测试提供低成本方案。
- 分析几何参数（如叶片数、轮毂形状）对性能的影响。
三、实验方法与流程
1. 实验装置与设计
研究采用双闭环测试系统，分别在LIFSE实验室（水/CO₂混合）和Safran航空发动机设施（航空燃油）进行：
- LIFSE装置：
- 透明测试段（直径80mm），配备高速摄像机（1000Hz采样率）捕捉空化动态。
- CO₂溶解系统：通过多孔介质注入CO₂，浓度通过Severinghaus电极探头监测（20–300 mg/L）。
- 压力与流量控制：电磁流量计（Krohne Waterflux 3100）、真空泵调节压力，温度恒定291.15K。
- Safran装置：结构与LIFSE类似，但符合防爆标准，使用航空燃油（Jet A型），通过热交换器控温。
2. 测试流程
- 非空化测试：固定转速（6800 rpm），逐步增加流量至最大值（50%额定流量），测量静压差（ΔP）和流量系数（φ）。
- 空化测试：
- 调节流量至目标值（部分负荷：φ=0.0019–0.0194）。
- 通过真空泵逐步降低入口压力，直至诱导轮性能崩溃（breakdown）。
- 记录空化数（σ）、压升系数（ψ），并同步高速摄像。
- CO₂溶解控制：在20 m³/h流量下注入CO₂，循环10分钟确保均匀溶解。
3. 研究对象与几何参数
- 诱导轮U1与U2：
- U1：参考设计，锥形轮毂（hub），叶片入口半径比（τ=0.35），轴向后掠角（θ=140°）。
- U2：改进设计，增大入口半径比（τ=0.5），减小后掠角（θ=74°），叶片角度分布更陡峭。
- 共同参数：3叶片、叶尖间隙0.05mm、叶尖稠度（solidity）2.0。
4. 数据分析方法
- 无量纲参数：
- 压升系数：ψ=ΔP/(ρ·ω²·rₜ²)
- 流量系数：φ=Q/(π·ω·rₜ³)
- 空化数：σ=(Pₛₜₐₜ−Pᵥ)/(0.5·ρ·cᵣₑₑ²)（cᵣₑₑ为叶尖速度）
- 不确定性分析：压差测量误差±0.5%，空化数误差±2%。
四、主要结果
1. 非空化性能
- CO₂浓度（20–300 mg/L）对ψ-φ曲线无显著影响（σ>0.18时CO₂完全溶解）。
- U2因轮毂更接近圆柱形，压升特性比U1更陡峭。
2. 空化性能与动态
- 空化初生与结构演化：
- 水-CO₂混合物（300 mg/L）与航空燃油的空化崩溃（breakdown）空化数（σ₆ᵣₖ）高度吻合（如φ=0.0019时，σ₆ᵣₖ≈0.05）。
- 空化初生时，叶尖泄漏流（tip leakage flow）引发回流涡（backflow vortex），随后发展为轮毂预旋空化（prerotation cavitation）。
- 高速摄像显示：航空燃油中空化为均匀小气泡，而水-CO₂混合物中为空化团块（heterogeneous）。
- 几何影响：
- U2因后掠角减小，延迟了回流涡发展，但空化崩溃后性能下降更快。
- U1的锥形轮毂使气泡存活时间更长，加剧空化不稳定。
3. 溶解气体效应
- CO₂浓度升高（300 mg/L）显著降低σ₆ᵣₖ，与航空燃油的脱气行为相似。
- 关键发现：水-CO₂混合物（300 mg/L）可替代航空燃油进行诱导轮空化性能测试，且几何依赖性低（U1/U2结果一致）。
五、结论与价值
- 科学价值：
- 揭示了溶解气体（CO₂）通过改变空化初生阈值和动态影响诱导轮性能的机制。
- 为多相流中空化-脱气耦合研究提供了实验基准。
- 工业应用：
- 验证了水-CO₂混合物作为航空燃油替代实验流体的可行性，可大幅降低测试成本与安全风险。
- 优化诱导轮设计（如增大轮毂半径比）可提升部分负荷下的稳定性。
六、研究亮点
- 创新方法：
- 开发了可控CO₂溶解系统，实现了高精度气体浓度调节。
- 双实验平台（水/燃油）数据互验证，增强结论可靠性。
- 重要发现：
- 首次定量对比水-CO₂与航空燃油的空化性能，填补了该领域数据空白。
- 揭示了回流涡与预旋空化的几何依赖性，为抑制不稳定设计提供依据。
七、其他价值
- 实验数据（如高速摄像序列、σ₆ᵣₖ对比表）可为CFD模型验证提供参考。
- 提出的无量纲分析框架（ψ-φ-σ）适用于其他旋转机械的空化研究。
（全文约2000字）