《Engineering Science and Technology, an International Journal》：Effect of impeller tip clearance on cavitation in an axial-flow pump
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轴流泵中的空化会降低效率、引发噪音振动并导致金属部件磨损，叶尖间隙的存在为这一现象创造了有利条件。为解决此问题，研究人员开展了一项研究，系统探究了不同叶尖间隙对轴流泵空化形成、水力性能及内部流动物理的影响。研究采用RANS数值模拟与实验、LES验证相结合的方法，量化了间隙增大的负面影响（在设计点，每增加0.25 mm，效率下降~3.5%，总扬程降低~7.26%），揭示了空化与流量、叶尖泄漏涡（TLV）及分离流的复杂关联，并发现存在一个可平衡水力效率与空化的最优间隙，这为泵的设计优化提供了被动流动控制策略。
轴流泵作为一种高效、节能的流体输送设备，在水力工程、农业灌溉和工业循环等众多领域扮演着关键角色。它擅长在大流量、低扬程的场景下工作，然而，其“心脏”——高速旋转的叶轮与静止的泵壳之间，总会存在着一个微小但无法避免的缝隙，称为叶尖间隙。这个看似不起眼的缝隙，在高速旋转带来的复杂流动和压力变化下，却可能成为一系列问题的“导火索”，其中最令人头疼的便是“空化”。
想象一下，当你剧烈搅动一杯水，在搅动叶片的后缘或尖端可能会产生一连串瞬间产生又迅速破灭的小气泡。在轴流泵中，当局部液体压力降低到其饱和蒸汽压以下时，也会发生类似现象，形成蒸汽空泡。这些气泡随着水流移动到高压区时，会瞬间溃灭，产生强大的冲击波。这种“空化”现象就像无数微小的“水锤”持续敲打叶轮表面，不仅会侵蚀金属、损坏叶片，还会显著降低泵的效率，带来恼人的噪音和振动，甚至威胁整个系统的安全稳定运行。全球范围内，水泵消耗了惊人的电力，例如在乌兹别克斯坦和印度，其年耗电量分别占全国总量的12.5%和22%左右。因此，理解并抑制空化，对于提升泵的能效、延长寿命至关重要。
以往的研究普遍认为，增大叶尖间隙通常会导致水力性能（如效率和扬程）下降，并加剧诸如叶尖泄漏涡等复杂的流动现象，但对间隙如何具体影响空化，特别是在偏离设计点的各种工况下的规律，认识还不够清晰和一致。有些研究甚至报告了相互矛盾的趋势。为了填补这一知识空白，并为泵的设计和制造提供关于叶尖间隙选择的精确指导，Duc-Anh Nguyen等人开展了一项深入而全面的研究，系统地探究了叶尖间隙大小对轴流泵空化、水力性能及内部流动特性的影响。他们的研究成果最终发表在工程技术领域的国际期刊《Engineering Science and Technology, an International Journal》上。
为了回答叶尖间隙如何影响空化这一问题，研究人员综合运用了数值模拟与实验验证两种核心手段。在数值模拟方面，他们主要采用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方法，对四种不同叶尖间隙（0.25、0.5、0.75和1.0 mm）的轴流泵模型，在从深度失速点到过载条件的宽流量范围内进行了系统的稳态计算。为了捕捉更精细的瞬态流动结构并验证RANS模拟的可靠性，他们对关键工况还辅以了大涡模拟（LES）进行瞬态计算。实验方面，他们搭建了一个闭式循环实验台，泵的关键部件采用透明丙烯酸材料制成，以便利用高速摄像机直接观察和记录泵运行时的内部空化现象。实验数据用于验证数值模拟结果的准确性，确保研究结论的可靠性。整个研究的技术方法体系严密，兼顾了计算效率与结果的精度。
研究人员从多个层面系统分析了他们的发现，结果部分的小标题清晰地勾勒出了研究的脉络。
3.1. 水力性能
研究首先量化了叶尖间隙对泵整体性能的影响。结果显示，增大叶尖间隙会显著降低泵的效率和总扬程。在设计点（BEP），每增加0.25 mm的间隙，效率平均下降约3.5%，总扬程下降约7.26%。这种性能下降在低流量（失速区）时对扬程的影响尤为显著，而在高流量（过载）时影响相对较小。性能下降的主要原因是增大的间隙导致了更多的泄漏流量和叶轮域内湍流动能（TKE）的增加，即能量损失增大。有趣的是，间隙增大虽然增加了叶轮内的能量损失，却在一定程度上减少了在导叶（DV）和进口导叶（IGV）域内的损失。
3.2. 空化与间隙的关系
研究的一个关键发现是，空化体积与叶尖间隙之间并不存在简单的线性关系，其变化趋势高度依赖于运行流量。具体表现为：在极低流量下，增大间隙会加剧空化；在从深度失速区向设计点过渡的流量范围内（约0.445φd到 1.0φd），增大间隙反而能减轻空化；而在高流量（过载）条件下，增大间隙会再次导致空化加剧。这表明，不存在一个“放之四海而皆准”的最优间隙，其选择需要根据泵的主要运行工况来权衡。
3.3. 深度失速条件下的流动物理
在深度失速点（极低流量），流动非常紊乱，存在大尺度的分离流。此处的空化主要由叶轮前缘（LE）的流动分离和叶尖泄漏流（TLF）共同作用诱发，形成一个主叶尖泄漏涡（TLV）并携带空化。研究发现，随着叶尖间隙增大，由主TLV诱导的空化减弱并退缩至前缘附近，而由纯泄漏流在叶尖直接诱发的空化变得相对明显。间隙增大会提高前缘吸力面（SS）的局部压力，使低压区收缩，这是该工况下空化减轻的主要原因。
3.4. 临界失速条件下的流动物理
在临界失速点，流动开始变得有序。空化呈现为典型的三角形云状结构，主要由清晰的主TLV诱导形成。此时，叶尖间隙的影响变得非常显著。间隙增大不仅使主TLV的轨迹更远离叶轮表面，导致其诱导的空化结构脱离叶面，还深刻影响了下游相邻叶片前缘的流动。过大的间隙会使主TLV发生过度偏转，在相邻叶片前缘诱发产生一个二次叶尖泄漏涡（Secondary TLV）。二次TLV与主TLV的相互作用扰乱了局部流场，一方面抑制了前缘的分离型空化，另一方面也因其改变了局部压力分布而削弱了主TLV中心的空化强度。因此，在此工况下，增大间隙总体上减轻了空化，但代价是叶轮内的能量损失因复杂的涡结构而增加。
3.5. 最佳效率点（BEP）的流动物理
在设计点，流动最为顺畅。空化主要表现为三种形态：叶尖泄漏流空化、主TLV诱导的空化以及前缘微弱的分离流空化。随着间隙增大，主TLV诱导的空化加剧并向叶轮中部扩展，同时叶尖泄漏流空化也变得更加强烈，导致整体空化体积增加。因此，在设计点附近，较小的间隙更有利于控制空化。此时间隙增大对水力性能的负面影响也最为明显。
3.6. LES瞬态模拟验证
为了确认上述基于RANS稳态模拟结论的可靠性，研究团队对临界失速点的0.5 mm间隙模型进行了LES瞬态模拟。对比结果显示，LES预测的空化结构与RANS结果在形态和位置上高度一致，虽然强度上略有差异。更重要的是，LES清晰地捕捉到了主TLV和二次TLV的瞬态发展和相互作用过程，证实了RANS关于间隙增大会诱发二次TLV并改变前缘流动特性的推论，从而增强了整个研究的可信度。
综上所述，这项研究得出了明确而富有工程指导意义的结论：叶尖间隙对轴流泵性能的影响是全局性的，会显著降低效率和扬程；而其对空化的影响则是“条件依赖型”的，没有一致趋势。在低流量（失速区），适当增大间隙可能有助于抑制由流动分离主导的空化；而在设计点和高流量区，较小的间隙则是控制空化的更好选择。研究深刻揭示了其内在机理：间隙尺寸通过改变叶尖泄漏涡（TLV）的强度、轨迹及其与下游叶片的相互作用，从根本上重塑了叶轮前缘区域的流动结构和压力分布，从而决定了空化的发生与发展模式。
这项研究的意义重大。它不仅为轴流泵设计中长期存在的“叶尖间隙选择困境”提供了清晰的物理图像和量化依据，更重要的是提出了一种新思路：叶尖间隙可以作为一种被动的流动控制机制。设计师可以根据泵的主要运行工况，策略性地选择间隙尺寸，在可接受的水力性能损失和空化抑制之间寻求最佳平衡。例如，对于长期在额定点附近运行的泵，应尽可能减小制造间隙以提升效率和抗空化能力；而对于运行范围宽、需频繁在低流量下启动或工作的泵，则可能需要适当放宽间隙公差以换取更好的低流量空化性能。这些发现超越了以往多数只关注设计点的研究，为面向全工况优化的新一代高效、长寿、低噪轴流泵的设计提供了宝贵的理论参考和实践指南。
