本文由T. Magne、R. Paridaens、F. Ravelet、S. Khelladi、F. Bakir（均来自DynFluid实验室，ENSAM ParisTech，法国巴黎）以及P. Tomov和L. Pora（来自Safran Aircraft Engines，法国莫瓦西-克拉马耶勒）合作完成，发表于2020年的期刊《Multiphase Science and Technology》第32卷第1期，文章标题为“Effect of Gas Content on the Cavitating and Non-cavitating Performance of an Axial Three-Bladed Inducer”。
本研究属于流体力学，特别是泵机械中的空化和多相流科学领域。研究背景源于航空航天工业中的一个实际工程问题：喷气发动机燃油泵。在离心泵的叶轮上游通常安装一个诱导轮（Inducer），其作用是防止空化（Cavitation）现象，并降低泵正常运转所需的必需汽蚀余量（Net Positive Suction Head，NPSH）。空化是指当液体局部压力降至其汽化压力以下时，液体内部产生蒸汽气泡的现象，它会引发振动、噪音、流动不稳定并降低系统性能。尽管空化本身已被广泛研究，但溶解在液体中的气体在空化条件下的影响却少有探索。喷气燃料本身溶解有一定量的气体，当飞机爬升导致油箱内气压下降时，溶解气体会根据亨利定律（Henry’s Law）逸出（脱气，Outgassing/ Degassing）。这种脱气现象可能与空化发展和空化不稳定性耦合，从而影响燃油泵，尤其是诱导轮的运行性能。然而，溶解气体含量如何具体影响诱导轮的性能尚不明确。因此，本研究的目标是实验探究溶解气体（具体为二氧化碳，CO2）含量对一台三叶片轴向诱导轮在非空化和空化工况下的性能影响，旨在为理解和模拟喷气燃料泵在真实环境中的工作状态提供实验数据基础。
研究采用了一套精心设计的实验装置和分析流程。实验在DynFluid实验室的闭式循环水洞装置中进行。该装置包含三个水箱（A、B、C）、一个测试段、一个驱动诱导轮的电机、一个用于控制流量的电磁流量计、一个用于降低回路压力的真空泵以及一个循环泵。测试段为透明设计，便于可视化观测。研究的核心创新之一在于溶解气体的控制与注入系统。研究者在水箱A的底部安装了一个多孔介质装置，用以注入CO2气体，并通过一个高压气瓶和调节阀精确控制注入量。根据亨利定律，溶解CO2的浓度取决于水温和CO2的分压。他们选择CO2是因为其在水中的溶解度远高于空气等其他气体（例如在标准大气压和298.1K温度下，CO2和O2的溶解度分别为1449 mg/L和8.26 mg/L），便于在实验中达到所需浓度。气体注入过程为：将回路流量设定在20 m3/h，打开CO2阀门注入气体，达到预定体积后关闭阀门，让系统继续运行10分钟以使CO2均匀溶解，然后从水箱C取样，使用CO2探头测量实际溶解浓度，重复此过程直至达到目标浓度（例如本研究中采用的300 mg/L）。此外，还使用了高分辨率压力传感器（包括绝对压力传感器和差压传感器）测量诱导轮进口、出口以及两个远离诱导轮的参考截面的压力。一台Optronis高速摄像机以1 kHz的采样频率对诱导轮吸入口进行拍摄，以观察流场动态。扭矩计用于测量转速。所有测试均在恒温条件下进行（T = 291.15 ± 1 K）。
研究对象为一台由DynFluid实验室根据Bakir等人（1998）提出的方法设计的三叶片、锥形轮毂的轴向诱导轮。出于保密原因，文章仅提供了其无量纲信息。诱导轮采用铝合金制造，叶片具有后掠形状，叶尖处稠密度为2.1，设计转速和流量系数分别为ωn（具体值未公开）和φn = 0.08。
实验流程分为非空化性能测试和空化性能测试两个主要程序。在非空化性能测试中，完全关闭下游阀门，设定诱导轮转速，启动循环泵，然后缓慢打开阀门增加流量，直至达到最大流量，期间测量不同流量下的压力升高值（扬程）。在空化性能测试中，首先设定转速和所需的流量系数（通过下游阀门调节）。如果测试需要CO2，则先完成气体注入和浓度测量。然后，通过连接到水箱B的真空泵逐步降低回路入口压力，同时保持流量恒定。真空泵持续运行，直至诱导轮发生性能崩溃（Head Breakdown）。整个过程中记录压力、流量、温度等数据，并同步进行高速摄像。
数据分析的关键在于计算几个无量纲参数。静态扬程系数（ψ）定义为ψ = Δp / [ρ(ωrt)^2]，其中Δp为诱导轮产生的压升，ρ为水密度，ω为旋转角速度，rt为诱导轮叶尖半径。流量系数（φ）定义为φ = Qv / (π ω rt^3)，其中Qv为体积流量。这两个参数用于表征诱导轮的常规水力性能。空化数（σ）用于量化空化程度，其定义为σ = (p_stat,ref - p_v) / (0.5 * ρ * c_ref^2)，其中p_stat,ref为参考截面的静压（本研究采用诱导轮入口上游的静压），p_v为水的饱和蒸汽压，c_ref为特征速度（通常取诱导轮叶尖速度）。通过绘制不同工况下的扬程系数-空化数（ψ-σ）曲线，即可评估诱导轮的抗空化性能和空化发展过程。
研究得到了明确且重要的结果。首先，在非空化工况下，无论是否添加CO2，诱导轮的扬程系数（ψ）与流量系数（φ）的关系曲线基本重合，且性能与旋转速度（ω）无关。这表明，在压力较高、空化尚未发生的条件下，溶解气体对诱导轮的基本水力性能没有显著影响。此时，根据亨利定律，溶解气体含量保持恒定，流动可视为单相流。
然而，在空化工况下，溶解气体的影响变得非常显著。研究的关键发现是：增加溶解CO2含量会降低诱导轮的空化性能。具体表现为：扬程开始下降（即性能崩溃）发生在更高的空化数（σ）下。这意味着，溶解了更多气体的液体，在压力更高（即更容易发生空化）的条件下就出现了性能恶化。此外，添加CO2还加剧了空化的强度（即增加了空化起始的数量和规模）。通过对比“纯净”水（约含20 mg/L CO2）和溶解了300 mg/L CO2的水在相同转速和流量系数下的ψ-σ曲线，可以清晰地看到这一差异。每条曲线可分为三段：第一段ψ保持恒定；第二段ψ开始逐渐下降；第三段发生急剧的垂直下降（崩溃）。添加CO2使得整个性能下降过程（尤其是第二段和第三段的起点）向更高的σ值移动。
高速摄像的可视化结果有力地支撑了上述性能数据。例如，在ω = 5000 rpm， φ = 0.0027的工况下，随着σ的降低，纯水条件下，空化首先以叶尖涡空化（Tip Vortex Cavitation）和回流涡空化（Backflow Vortex Cavitation）的形式在叶片尖端起始和发展。而在含CO2的水中，当σ降低到一定程度时（σ ≈ 0.156），可以观察到显著的脱气现象，出现了小气泡，流动从单相转变为两相均质混合物。同时，预旋（Pre-rotation）和空化区域向上游/下游（轴向）和径向显著扩展。此时，预旋的直径已达到轮毂入口直径，导致入口截面和流动角度改变，这正是图中性能曲线开始下降的对应点（σ ≈ 0.15）。当σ进一步降低，含CO2的水中的蒸汽团能够完全穿过诱导轮叶片通道，甚至到达叶片的最终截面，并阻塞流道，从而导致最终的扬程崩溃。在纯水情况下，在同一σ值时蒸汽团则尚未发展到如此程度。在更高转速（ω = 6800 rpm）下，这种趋势更为明显：在测试初始阶段（σ ≈ 0.12），含CO2的情况下的预旋已经充分发展，而纯水情况下的预旋才刚刚开始。研究还观测到了显著的回流涡空化，这是由于叶片压力面和吸力面压差导致叶顶间隙流动卷起形成的涡流产生的空化。
本研究的结论是：溶解气体含量对三叶片轴向诱导轮的非空化性能没有影响，但对其空化性能有显著的负面影响。具体而言，增加溶解CO2含量会使得诱导轮的扬程崩溃提前发生（即在更高的NPSH下发生），并加剧空化的强度。这种影响与诱导轮的转速和流量系数有关。研究结果也表明，由于气体逸出，流动从单相流转变为气液两相流，这是性能恶化的关键物理机制。
该研究的科学价值在于，它首次系统地通过实验量化了溶解气体含量对诱导轮空化性能的具体影响，填补了该领域的一个知识空白。其应用价值尤为突出：它为航空发动机燃油泵的设计和运行提供了重要参考。研究结果提示，在使用含有溶解气体的燃料（如真实喷气燃料）时，泵，特别是诱导轮的空化裕度（NPSH margin）可能需要比使用纯水或理想流体进行测试时预留得更大，以确保在实际飞行高度变化（压力变化）导致气体逸出的条件下，泵仍能稳定可靠工作。此外，本研究采用的利用水-CO2混合物来模拟喷气燃料脱气现象的实验方法，为后续相关研究提供了一个可行的技术路径。
本研究的亮点在于：第一，研究问题具有明确的工程背景和学术前沿性，聚焦于一个先前未被深入探索但具有实际重要性的因素——溶解气体。第二，实验设计严谨且具有创新性，自主开发了可控的气体溶解与注入系统，并整合了高精度的压力测量、流量控制和高频可视化技术，构成了一个完整的多参数同步测量平台。第三，研究结果清晰、可重复，通过性能曲线和可视化图像的紧密结合，直观地揭示了溶解气体如何通过促进脱气和两相流形成来恶化空化性能的内在关联。第四，研究为未来工作指明了方向，例如进一步研究溶解气体对诱导轮内不稳定现象（如旋转空化）的影响，以及探索不同几何形状的诱导轮对气体含量的敏感性等，具有承上启下的作用。