研究报告：诱导轮振荡空化的观测研究

一、作者及发表信息
本研究由日本大阪大学工学部Yoshinobu Tsujimoto教授、Yoshiki Yoshida助理教授、Yasukazu Maekawa和Satoshi Watanabe研究生团队，联合日本国家航空航天实验室（National Aerospace Laboratory）的Tomoyuki Hashimoto研究员共同完成，发表于ASME（美国机械工程师学会）旗下期刊《Journal of Fluids Engineering》1997年12月刊（Vol. 119, pp. 775-781）。

二、学术背景
研究领域为流体机械中的空化现象（cavitation），重点关注诱导轮（inducer）的振荡空化（oscillating cavitation）。研究背景源于日本H-II火箭LE-7液氧涡轮泵及欧洲Ariane V液氢涡轮泵中因旋转空化（rotating cavitation）引发的超同步轴振动问题。此前，Acosta（1958）和Kamijo等（1993）的理论与实验表明，旋转空化是高性能泵诱导轮的共性问题，但其传播方向、模态多样性及系统依赖性尚不明确。本研究旨在通过实验揭示振荡空化的多模态特征，验证线性分析预测的反向旋转模态，并探索空化与管道系统的相互作用。

三、研究流程与方法
1. 实验装置设计
- 泵循环系统（图1）：采用直径200 mm的入口管道（A），无出口蓄能器（B）。通过替换为150 mm管道或添加1.5×10⁻³ m³空气的蓄能器（B）改变系统参数。
- 测试段（图2）：使用LE-7液氧涡轮泵诱导轮的缩比模型（3叶片，外径149.8 mm），透明丙烯酸树脂外壳（内径150.8 mm，叶尖间隙0.5 mm）。

1. 数据采集与处理

   • 压力测量：在诱导轮前27.5 mm处布置两个周向压力传感器，通过相位差确定空化单元数（n）及传播速度比（f/nfₙ）。
     
   • 高速摄像：捕捉空化云动态，结合压力频谱分析（图3a）识别空化模态。
     
   • 非线性相互作用验证：通过频率关系（f + f’ = 2fₙ）及单元数关系（n + n’ = zᵢ）确认模态耦合（公式1-2）。
     

2. 实验变量

   • 流动系数（φ）与空化数（σ）：覆盖宽范围工况，静态压力系数（ψₛ）作为流量条件代理。
     
   • 转速：固定为4000±2 rpm，通过真空泵调节空化数。
     

3. 创新方法

   • 相位差分析法（图3b）：通过arg(pθ/p₀)随角度θ的变化确定空化单元旋转方向（正/负号表示同向/反向旋转）。
     
   • 模态共振识别：发现18 Hz的“激振模态振荡”（surge mode oscillation）与旋转空化频率的共振现象（图9）。
     

四、主要结果
1. 空化模态分类（表1, 图5）
- 回流涡空化（i, v）：n=5-6，f/nfₙ=0.16-0.21，空化云在回流涡中缓慢旋转（图6a-c）。
- 旋转空化（ii, iv）：n=1，f/nfₙ=0.9（反向模态）或1.1-1.3（正向超同步），腔长超过叶片间距（图7）。
- 激振模态振荡（vi, vii）：n=0，vi为固定频率18 Hz，vii频率与转速成正比（图10）。

1. 系统影响（图12）

   • 旋转空化（i-v）几乎不受管道系统改变影响，支持Tsujimoto等（1993）的“局部流动不稳定性”理论。
     
   • 空化激振（vii）频率随入口管径减小（有效长度增加）而降低，与Young等（1972）的经典理论一致。
     

2. 理论验证

   • 反向旋转模态（ii）的存在与Tsujimoto等（1993）的2D流动模型预测相符，证实空化延迟效应可导致f/nfₙ的正向模态。
     

五、结论与价值
1. 科学价值
- 首次系统绘制了诱导轮振荡空化的多模态图谱（图5），揭示了旋转空化与回流涡空化的共存机制。
- 实验验证了反向旋转空化模态的存在，完善了空化不稳定性的理论框架。

1. 应用价值
   
   • 为火箭涡轮泵等高速诱导轮的设计提供抑制空化振动的工程指导（如优化叶尖间隙或管道配置）。
     
   • 提出的相位差分析法可作为空化模态诊断的标准工具。
     

六、研究亮点
1. 多模态观测：首次同步记录旋转空化、回流涡空化及激振模态的相互作用。
2. 方法创新：结合高速摄像与周向压力相位分析，实现空化动态的高精度解析。
3. 理论-实验闭环：通过实验数据直接验证线性稳定性理论的预测结果。

七、其他发现
- 旋转空化压力波动可传播至诱导轮下游33倍直径处（图11a），远超传统认知，提示远场效应需纳入设计考量。
- 激振模态vi的共振机制仍待进一步研究，可能涉及流体-结构耦合振动（图8）。

（全文约2000字）