这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：
1. 作者及发表信息 本研究由Lin R H、Chen H、Xiang L和Qu N C共同完成，作者单位为中国西安航天动力研究所（Xi’an Aerospace Propulsion Institute）。论文发表于《Journal of Physics: Conference Series》期刊，2024年卷2707，文章编号012032。该论文是第17届亚洲国际流体机械会议（AICFM 17 2023）的会议论文，开放获取并遵循知识共享许可协议。
2. 学术背景 研究领域属于流体机械中的空化流动（cavitating flow）与两相流（two-phase flow）交叉方向。液体火箭发动机（LRE）的涡轮泵在低压入口条件下易因叶轮空化导致扬程突降（head breakdown），引发发射事故。传统解决方案包括在叶轮上游安装诱导轮（inducer）及用氦气等非冷凝气体增压燃料箱，但这些方法可能引入新问题： - 诱导轮内空化流动复杂，易诱发空化不稳定性（cavitation instabilities），如空化喘振（cavitation surge）、旋转空化（rotating cavitation）等； - 微重力或燃料耗尽时，增压气体可能混入燃料形成气液两相流，恶化泵性能。
现有研究多针对简单几何结构（如翼型、缩放通道）中的含气空化，而诱导轮流道特性复杂，且非冷凝气体对空化的影响机制尚未明确。本研究旨在探究入口含气率（Inlet Gas Volume Fraction, IGVF）对诱导轮空化特性及不稳定性的影响，填补该领域的知识空白。
3. 研究方法与流程 研究通过自主设计的实验平台完成，主要流程如下：
3.1 实验装置设计 - 测试系统（图1）：工作流体为水（液相）与空气（气相）。核心组件包括： - 6 m³除气水箱（溶解氧控制在4 ppm）； - 透明丙烯酸树脂诱导轮壳体（图2），支持高速流动可视化； - 压缩空气注入系统，通过气水混合器调节IGVF； - 下游模型泵维持体积流量，开放式水箱实现气液分离。 - 诱导轮参数（表1）：两叶片等螺距诱导轮，轮毂直径20 mm，叶尖直径60 mm，叶尖间隙0.5 mm，前缘后掠角145°。
3.2 测量与分析方法 - 性能参数：采用无量纲系数表征： - 流量系数φ = 8Q/(πωDt³)； - 扬程系数ψ = 4(p_out−p_in)/(ρω²Dt²)； - 空化数σ = 8(p_in−p_v)/(ρω²Dt²)。 - IGVF计算：根据气体状态方程修正入口空气体积流量。 - 高速摄像：4000 fps拍摄空化形态演化（图5,10）。 - 压力脉动分析：通过功率谱密度（PSD）识别空化喘振频率（图12-15）。
3.3 实验方案 固定转速ω=5000 rpm（特征雷诺数Re*=9.2×10⁵），在φ=0.083/0.071/0.059三种流量系数下： - 阶梯式降低入口压力，记录扬程突变临界点； - 对比IGVF=0%/1%/2%/3%条件下的空化性能曲线（图6-8）； - 分析空化形态转变（泡沫状空化→超空化）与压力脉动特征。
4. 主要结果
4.1 无含气条件下的空化特性 - 空化数σ>0.3时扬程稳定；σ<0.1时出现泄漏涡空化（图5a-c）与剪切层空化融合； - 扬程突降时，空化形态转变为超空化（super-cavitation），叶尖空化区完全覆盖叶片（图5d）。
4.2 含气空化的影响 - 扬程性能（图9）： - IGVF>2.5%~3%时，非空化工况下因气锁现象（gas lock）导致扬程骤降； - IGVF增加使临界空化数显著升高（最高提升40%），表明抗空化能力下降。 - 空化形态（图10）： - 非冷凝气体聚集于低压区，延长泄漏涡空化区并促进小气泡脱落； - 扬程突降仍伴随超空化转变，但含气加速此过程。 - 不稳定性抑制（图14-15）： - IGVF=1%时，空化喘振主频从10 Hz降至8.5 Hz，脉动幅值降低50%； - 机理归因于气体提供的额外空化顺应性（cavitation compliance, k），改变系统动力学方程（式6）中的m/k比值。
5. 结论与价值 - 科学价值：首次阐明IGVF通过增加空化顺应性抑制喘振，但促进空化发展的双重作用机制； - 工程意义：为火箭发动机涡轮泵在含气工况下的设计优化提供实验依据，尤其针对燃料耗尽阶段的稳定性控制； - 创新发现： - 含气率阈值（IGVF≈2.5%）区分气锁与空化主导区； - 超空化转变与扬程突降的关联性不受含气影响。
6. 研究亮点 - 方法创新：开发兼容气体注入的空化实验台，实现同步性能测试与可视化； - 理论突破：将二维叶栅的空化稳定性理论（图16）拓展至三维诱导轮含气工况； - 应用导向：直接服务于航天推进系统的可靠性提升。
7. 其他发现 - 背流涡空化（backflow vortex cavitation）的117 Hz特征频率（图11-12）与叶片通过频率无直接关联，需进一步研究其激发机制。
（注：全文约2000字，严格遵循专业术语翻译规范，如首次出现的”cavitation surge”译为”空化喘振”并标注英文原词。）