Ansys博客
January 30, 2020
泵气蚀的产生原因以及其预防方法
泵、叶轮和螺旋桨是日常基础设施的基本组成部分。它们能够让全世界的发电厂、船只和生产设施保持运行。
设计和使用这些机器的工程师需要解决一个主要问题，即如何避免气蚀——流体会发生突然的相变，从而对机械装置造成物理损坏。
泵气蚀会损坏内部机制。
为了防止这种情况发生，工程师需要确保将正确的设备安装到正确的系统中。仿真作为一种经济高效的解决方案，可以优化泵的设计和配置，以避免发生意外的相变。
导致气蚀的原因是什么？
当流体中形成气泡或空隙时，就会发生气蚀现象，因为压力会迅速降至蒸汽压力以下。当气泡承受更大的压力时，它们会破裂，产生小的冲击波，久而久之则会损坏部件。当这些压力波在部件上打出小孔时，这就被称为点蚀。
螺旋桨因空化而产生点蚀
噪声、振动和性能下降是泵气蚀的良好指标。当开始出现这些警告信号时，工程师应检查设备是否已形成任何点蚀。
点蚀是工程师最关心的问题之一。这是因为随着点蚀的增长和倍增，它们会降低泵的使用寿命和效率。
气蚀对泵的影响
还有一些其它的原因，也让工程师希望减少设备中的气泡形成。例如，压力波会产生振动，从而导致其它部件（如轴承）发生故障。
由于泵气蚀也会影响设计的流速和效率，工程师将不得不增加功耗，以保持吞吐量。这会导致温室气体和燃料成本的增加。
如何防止泵气蚀
防止泵出现气蚀的最佳方法是增加泵叶轮上游的压力。该压力被称为净正吸入压头（NPSH）。
Ansys EnSight对内齿轮油泵（gerotor pump）中的油体积进行的可视化仿真，
显示了齿轮壁面上气蚀（红色）的范围。
工程师增加NPSH的一些方法：
- 提高上游水库的水位
- 在泵入口添加导流片
- 优化叶轮设计
- 最大限度地减少上游流量损失
- 以较低的流速运行泵
在设计阶段，工程师不太可能知道如何在给定的安装环境中设置泵。因此，他们使用计算和仿真来测试各种配置，为最终用户提供适当的NPSH额定值。这些额定值有助于将泵与安装进行匹配。
过去，工程师使用Rayleigh-Plesset方程来仿真气泡形成。挑战在于，这些结果基于经验，如果输入参数调整不当，可能会得到不切实际的结果。
或者，工程师可以使用Ansys CFX中的平衡相变模型来仿真气蚀。它使用材料属性来预测气泡的形成，而且无需经验数据。因此，它不需要调整Rayleigh-Plesset方程即可产生准确的结果。
然后，工程师可以设置仿真参数，这样他们就可以通过各种配置快速循环仿真设计，以产生NPSH额定值。此外，他们还可以创建一个图表，以显示NPSH降低将如何减少由突然的相变产生的泵压头。
如欲了解平衡相变模型，敬请查看此应用简介：气蚀：您必须掌握的一种关键CFD应用。
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