日本宇航探索机构（JAXA）关于热力学效应对诱导轮空化性能及不稳定性的实验研究

作者及发表信息
本研究由日本宇航探索机构（JAXA）的Kengo Kikuta、Yoshiki Yoshida、Mitsuo Watanabe、Tomoyuki Hashimoto，以及日本航空航天技术振兴基金会的Katsuji Nagaura和东北大学流体科学研究所的Katsuhide Ohira共同完成，发表于《Journal of Fluids Engineering》2008年11月刊（Vol. 130, DOI: 10.¹¹¹⁵⁄₁.2969426）。

学术背景
本研究属于流体机械与空化动力学领域，聚焦于火箭发动机涡轮泵中诱导轮（inducer）的空化问题。诱导轮在提高涡轮泵吸入性能的同时，常因空化引发流动不稳定性，导致性能下降甚至失效。日本火箭推进剂为液氢（20 K）和液氧（90 K），这些低温流体接近临界点温度，其热力学效应（thermodynamic effect）显著区别于常温流体（如水）。研究旨在通过对比液氮（76 K和80 K）与冷水（296 K）中空化特性，量化热力学效应对空化性能及不稳定性的影响，为低温涡轮泵设计提供理论依据。

研究流程与方法
1. 实验设计
- 研究对象：三叶片诱导轮，叶片前缘采用扫掠式设计（sweep cutback），固体度（solidity）为1.9。
- 实验流体：
- 冷水实验：封闭循环水洞（closed-loop tunnel），使用透明丙烯酸树脂壳体直接光学观测空化，转速6000 rpm，雷诺数（Reynolds number）Re=9.1×10⁶。
- 液氮实验：吹卸式空化隧道（blowdown cavitation tunnel），温度设定为76 K（t=0.20）和80 K（t=0.27），转速18,300 rpm（模拟实际涡轮泵工况），Re=1.1×10⁸。

1. 空化观测技术

   • 冷水实验：通过高速摄像机记录叶尖空化（tip cavitation）长度（cavity length, ccl=lc/h，lc为沿叶片空化长度，h为叶片间距）。
     
   • 液氮实验：因不锈钢壳体无法光学观测，采用8个非接触压力传感器（unsteady pressure sensors）沿叶片布置，通过压力波形间接反演空化区域（图8）。当空化发生时，波形底部出现平坦区（对应蒸汽压力），据此判定空化范围。
     

2. 数据分析

   • 空化性能：对比不同温度下空化数（cavitation number, σ）与扬程系数（head coefficient, ψ/ψ₀）的关系。
     
   • 空化不稳定性：通过FFT分析压力波动频率，识别次同步旋转空化（subsynchronous rotating cavitation, sub-RC）和空化喘振（cavitation surge, CS）。
     
   • 热力学效应量化：基于Brennen提出的热力学函数Σ(T)和动态流体参数Ξ，计算温度降ΔT（=T∞−Tc），其中Tc为空泡内温度。
     

主要结果
1. 空化长度与热力学效应
- 液氮中空化长度显著短于冷水（图9-10），表明热力学效应抑制了空化发展。当ccl>1.2（空化延伸至叶片通道喉部后），温度降ΔT急剧增加（图12）。76 K液氮的ΔT极限为12 K（空泡温度接近氮三相点63.1 K），而80 K液氮的ΔT无明确上限。

1. 空化不稳定性

   • 次同步旋转空化：在液氮和冷水中均出现，频率f*=0.82–0.85，与空化长度直接相关（图11）。
     
   • 空化喘振：仅发生于冷水（σ=0.022–0.030），频率f*=0.12–0.14，与正质量流量增益因子（mass flow gain factor, mq）相关（图15）。热力学效应通过降低mq抑制了喘振。
     

2. 热力学阻尼效应
   当空化延伸至喉部后，热力学效应对不稳定性的影响表现为“热阻尼”（thermal damping），通过改变空化动态特性（如降低空化顺应性cavitation compliance）实现（图13）。

结论与价值
1. 科学价值
- 揭示了空化长度与热力学效应的非线性关系，提出喉部位置是热力学效应显著增强的临界点。
- 首次量化了低温流体（如液氮）中温度降的极限效应，指出其与三相点温度的接近程度是限制因素。

1. 应用价值
   
   • 为火箭涡轮泵诱导轮的低温空化设计提供理论支持，尤其是抑制空化不稳定性的热力学优化策略。
     
   • 间接压力反演方法（非光学观测）为不透明流体中的空化研究提供了新思路。
     

研究亮点
1. 创新方法：在液氮实验中开发了基于压力波形反演空化区域的间接可视化技术，并通过冷水实验验证其准确性。
2. 多工况对比：通过76 K与80 K液氮的温差实验，明确了温度对热力学效应强度的影响边界。
3. 工程启示：发现深空化喘振仅发生于无热力学效应的冷水环境，为低温涡轮泵的稳定性设计提供了关键依据。

其他发现
- 叶片载荷分布（blade loading）随空化发展从前缘向后缘转移，导致液氮中扬程系数随σ降低而上升（负泵增益，dψ/dσ），而冷水中的增益近乎零（图9-10）。这一现象与热力学效应调控的空化形态（长度、厚度、空隙率）密切相关。