本研究由Baoling Cui、Yifan Li和Pei Wang共同完成，他们均来自浙江理工大学流体传输系统技术国家重点实验室。研究论文题为《Numerical simulations and experiments of gas–liquid two-phase flow in an inducer》，发表于2021年10月的《Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering》第43卷第502期。

学术背景
研究聚焦于离心泵前置导叶（inducer）在气液两相流（gas-liquid two-phase flow）工况下的性能与内部流动特性。在航空航天等领域，输送易汽化介质（如低温推进剂）时极易形成气液两相流，而导叶作为提升离心泵性能的关键部件，其气液混合流动机制尚未明晰。先前研究多集中于单一液相或低含气率（inlet gas volume fraction, IGVF%）工况，缺乏对高含气率（IGVF达10%）下导叶内部气相分布、压力脉动及涡结构演化的系统性分析。本研究旨在通过数值模拟与实验相结合的手段，揭示IGVF对导叶性能的影响规律，为优化离心泵气蚀特性提供理论依据。

研究方法与流程
研究分为以下四个核心环节：

1. 实验验证环节
   搭建气液两相循环实验系统，包含气相回路（压缩机、干燥器、气体流量计等）、液相回路（储水箱、电磁流量计、变频电机等）和信号采集系统。实验在14 m³/h流量条件下测试IGVF≤3%时的导叶扬程系数（head coefficient），采用LZB-6型浮子气体流量计（精度2.5级）和LD0-98A型电磁流量计（精度0.5级）监测参数。实验数据用于验证数值模型的准确性，结果显示模拟与实验的扬程系数误差在可接受范围内（图2）。

2. 数值建模环节

   • 几何建模：使用SolidWorks构建导叶流体域三维模型，包含进口段、双叶片导叶（几何参数见表1）、腔体及出口段，进出口管道分别延伸3倍和5倍管径以稳定流动。
     
   • 网格划分：采用ICEM软件进行混合网格划分，导叶和腔体使用六面体网格，总网格数202万（经独立性验证）。
     
   • 边界条件：基于ANSYS CFX 15.0软件，选用欧拉-欧拉非均相流模型（Eulerian-Eulerian heterogeneous flow model）和SST k-ω湍流模型，设置进口质量流量与IGVF（0%-10%）、出口平均总压力，气泡直径设为0.1 mm（参考前人研究[18]）。

3. 多工况模拟
   针对三种流量（0.8Q, Q, 1.2Q）与五种IGVF（2%-10%）组合工况，分析以下参数：

   • 宏观性能：扬程系数随IGVF的变化规律（图7）。
     
   • 气相分布：轴向相对位置（图8）和叶栅截面（图14）的气相体积分数。
     
   • 流场特性：静态压力系数（图9）、湍动能（图10）、流线（图11）及监测点（P1-P5）压力脉动（图12）。
     
   • 涡结构：基于涡核准则（ω=0.51）分析尾缘涡演化（图13）。

4. 可视化分析
   通过等值面（isosurface 0.5）展示气相聚集形态（图17），结合压力面（图15）与吸力面（图16）的气相速度分布，揭示流动不稳定机制。

主要发现
1. 性能衰减规律
扬程系数随IGVF增加呈单调下降趋势（图7）。当IGVF从0%增至2%时，0.8Q流量下扬程降幅最大（约15%）；IGVF>2%后，1.0Q与1.2Q的下降速率更快。这表明低流量工况对初始含气更敏感，而高流量下气相累积效应更显著。

1. 气相分布特征

   • 轴向演化：气相主要集中在导叶尾缘区域（轴向位置0.75-1.0）。IGVF=2%时，气相仅分布于轮毂（hub）附近；IGVF≥6%时，气相扩散至整个流道，形成流动阻塞（图8）。
     
   • 叶栅截面：气相在压力面（pressure surface）尾缘形成扇形高浓度区（图15a），吸力面（suction surface）轮毂处出现低速回流区（图16b），导致气相持续累积。

2. 流场不稳定性

   • 压力脉动：监测点P4（尾缘附近）压力波动幅值随IGVF增加显著降低（图12d），周期特性减弱，与气相聚集导致的叶片载荷下降直接相关。
     
   • 涡结构：尾缘涡（图13）随IGVF增大略有扩张，但未显著改变压力脉动特性，表明气相分布而非涡演化是流动失稳的主因。

结论与价值
本研究首次系统阐明了IGVF（高达10%）对导叶性能的影响机制：气相在轮毂与压力面尾缘聚集形成低速区，通过降低叶片做功能力导致扬程衰减，且高流量下气相扩散更易引发流道阻塞。成果为优化离心泵导叶设计提供了关键依据：
- 科学价值：揭示了气液两相流中密度差驱动的相分离机制及其与湍动能、涡结构的耦合作用。
- 工程价值：提出通过控制尾缘几何或轮毂流速抑制气相聚集，可提升泵的抗气蚀性能。

创新亮点
1. 方法创新：将欧拉-欧拉非均相流模型扩展至高IGVF（10%）工况，并通过实验验证了模型的可靠性（IGVF≤3%）。
2. 现象发现：首次报道了导叶内”扇形气相聚集区”的演化规律及其与流动阻塞的因果关系。
3. 应用指导：明确了不同流量下IGVF的临界阈值（如2%对0.8Q的突降效应），为工况选择提供量化参考。

其他发现
研究还观察到进口回流涡（图11中C区）与出口尾迹涡（A、B区）的共存现象，但涡结构对IGVF的敏感性低于气相分布，这为后续多尺度流动研究指明了方向。