航空学报2024年6月第45卷第11期研究报道：来流含不凝性气体的诱导轮空化流动实验研究

作者及机构
本研究由西安航天动力研究所的林荣浩（通讯作者）、陈晖、项乐、屈念冲合作完成，发表于《航空学报》（Acta Aeronautica et Astronautica Sinica）2024年6月15日第45卷第11期，文章编号1000-6893(2024)11-529095-12。

学术背景
该研究聚焦液体火箭发动机（Liquid Rocket Engine, LRE）涡轮泵中的诱导轮空化问题。涡轮泵作为火箭发动机的核心部件，其高转速、低入口压力的特性易引发空化现象，导致扬程断裂（head breakdown）甚至发射事故。传统解决方案包括加装诱导轮（inducer）或使用氦气等不凝性气体增压，但这些方法可能引入新的问题：
1. 诱导轮内部空化流动易诱发空化喘振（cavitation surge, CS）、旋转空化等不稳定现象；
2. 不凝性气体在微重力或推进剂耗尽时可能与液体掺混，影响空化流动特性。
此前，不凝性气体对诱导轮空化的影响研究较少，而在翼型、文氏管等结构中的研究表明二者存在复杂相互作用。因此，本研究旨在揭示不凝性气体对诱导轮空化流动的影响机制，为涡轮泵设计提供理论支持。

研究流程与方法
1. 实验系统搭建
- 采用开式诱导轮泵空化性能实验台，包含闭式水箱（6 m³）、高速电机（8,000 r/min）、电磁流量计（精度±0.5%FS）、稳态/脉动压力传感器及水听器。
- 创新设备：透明有机玻璃诱导轮壳体配合高速摄像机（4,000帧/s，分辨率1,280×720像素），实现空化形态可视化。
- 研究对象为两叶片等螺距诱导轮，轮缘直径60 mm，叶顶间隙0.5 mm。

1. 实验方法

   • 工况设置：固定转速5,000 r/min（雷诺数Re=9.2×10⁵），空化数σ范围0.03~0.97，不凝性气体含气率（Inlet Gas Volume Fraction, IGVF）0~4%。
     
   • 气体注入：通过气液混合器控制空气注入量，利用浮子流量计（精度2.5级）和稳压罐精确调节IGVF。
     
   • 数据采集：同步记录扬程系数ψ、流量系数φ、空化数σ，并结合高速摄影分析空化区形态及不稳定现象。
     

2. 数据分析

   • 通过功率谱密度（PSD）分析压力脉动信号，识别空化喘振频率；
     
   • 结合空穴体积变化与系统动力学方程（式6），量化不凝性气体对空化柔度（cavitation compliance, k）和质量流量增益系数（m）的影响。
     

主要结果
1. 空化性能影响
- 扬程断裂提前：IGVF从0%增至2.5%时，扬程断裂空化数上升30%~40%（图9）。不凝性气体作为空化核，促进低压区空穴膨胀，加速超空化形成。
- 空化区形态变化：IGVF增加使泄漏涡空化（leakage vortex cavitation）和回流涡空化（backflow vortex cavitation）长度显著延长（图10），但未改变扬程断裂时的超空化本质。

1. 空化不稳定性

   • 回流涡空化周期性增强：IGVF=3%时，回流涡空化由丝带状转变为拇指状附着结构（图16），涡核处气相聚集抑制了涡强度。
     
   • 空化喘振抑制：IGVF=1%时，喘振频率从10 Hz降至8.5 Hz，振幅减少50%（图17-19）。小空化数下（σ=0.068），不凝性气体通过增加空化柔度k降低m/k比值（式9），从而抑制喘振强度。
     

2. 机理分析

   • 不凝性气体通过两种途径影响系统：
     (1) 作为空化核促进空化初生；
     (2) 增加空穴可压缩性，改变系统柔度。
     
   • 实验验证了二维叶栅理论（图20）的预测：空穴体积猛增时空化柔度k显著上升，导致m/k比值下降，与喘振抑制现象吻合。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次系统揭示不凝性气体对诱导轮空化的双重作用：恶化抗空化性能但抑制喘振不稳定性；
- 提出“空化柔度调控”机制，为复杂气液两相流理论补充实验依据。

1. 应用价值
   
   • 指导液体火箭发动机涡轮泵设计：优化不凝性气体注入策略以平衡扬程稳定性与空化风险；
     
   • 为航空航天、水力机械等领域的气液混合流动控制提供参考。
     

研究亮点
1. 创新方法：结合高速摄影与多参数同步采集，实现空化形态与动态特性的关联分析；
2. 关键发现：不凝性气体通过改变空化柔度抑制喘振，这一现象在诱导轮中属首次报道；
3. 工程意义：明确了实际工况中不凝性气体掺混的潜在影响，填补了该领域研究空白。

其他有价值内容
研究还发现，IGVF>2.5%时离心泵内气囊初生可能诱发系统喘振（图6-8），这一现象需在涡轮泵故障诊断中重点关注。此外，实验数据为后续数值模拟（如大涡模拟LES）提供了验证基准。