流体机械

处理机匣	槽宽b/mm	槽高h/mm	轴向位置Z_a/C_a
G1	4	8	0.10
G2	4	8	0.45
G3	4	8	0.80
G4	6	8	0.45
G5	8	8	0.45
G6	4	4	0.45
G7	4	2	0.45

处理机匣	槽宽b/mm	槽高h/mm	轴向位置Z_a/C_a
G1	4	8	0.10
G2	4	8	0.45
G3	4	8	0.80
G4	6	8	0.45
G5	8	8	0.45
G6	4	4	0.45
G7	4	2	0.45

方案	NPSH_r/m	S/%
SW	7.23	―
G1	7.36	1.67
G2	7.02	-2.90
G3	7.04	-2.63
G4	7.01	-3.04
G5	6.94	-4.01

方案	NPSH_r/m	S/%
SW	7.23	―
G1	7.36	1.67
G2	7.02	-2.90
G3	7.04	-2.63
G4	7.01	-3.04
G5	6.94	-4.01

周向槽机匣处理对轴流泵空化特性的影响

童志庭 ¹^,² , 路祥宾 ¹^,² , 苏宏冉 ¹^,² , 张功元 ³ , 张月 ¹^,²

流体机械 | 应用技术 2025,53(10): 111-118

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流体机械 |应用技术 2025 , 53 (10) : 111 -118

周向槽机匣处理对轴流泵空化特性的影响

全屏

童志庭¹^,², 路祥宾¹^,², 苏宏冉¹^,², 张功元³, 张月¹^,²

作者信息

¹天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384

²天津理工大学机电工程国家级实验教学;示范中心，天津 300384

³福建侨龙应急装备股份有限公司，福建龙岩 364099

通讯作者:

张月（1977），女，博士，讲师，主要从事流体机械设计及优化，通信地址：300384天津市西青区宾水西道391号天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，E-mail：zhangyue@email.tjut.edu.cn。

作者简介:

童志庭（1977），男，博士，教授，主要从事流体机械设计工作，E-mail：tongzhiting1215@163.com。

Study on the influence of circumferential groove casing treatment on cavitation characteristics of axial flow pumps

Zhiting TONG¹^,², Xiangbin LU¹^,², Hongran SU¹^,², Gongyuan ZHANG³, Yue ZHANG¹^,²

Affiliations

¹Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System，Tianjin 300384，China

²National Demonstration Center for Experimental Mechanical and Electrical Engineering Education，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China

³Fujian Qiaolong Emergency Equipment Co.，Ltd.，Longyan 364099，China

出版时间: 2025-10-31 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.10.013

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摘要

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为了抑制低扬程潜水轴流泵运行过程中的空化问题，将压气机周向槽机匣处理扩稳方法，拓展应用于轴流泵，设计了7种机匣处理的方案，基于SST k-ε湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型，通过定常数值模拟，分别从周向槽的安装位置、槽宽和槽深3个方面，研究对轴流泵空化性能的影响。结果表明，空化现象是由叶顶泄漏流逸出形成的低气压区域造成；安装周向槽后，轴流泵扬程存在一定损失，安装位置对轴流泵空化影响最大；相较光壁机匣，周向槽位于轴向弦长10%位置时空化提前发生，位于叶顶轴向弦长前缘45%位置时抗空化性能最好，必需汽蚀余量降低2.9%；3组不同宽度的周向槽对比发现，随着周向槽宽度的增加，泵的抗空化性能越好，必需汽蚀余量最高降低4.01%，但扬程损失也在增加；3种不同高度的周向槽均使必需汽蚀余量降低了2.9%，表明周向槽高度对空化性能的影响较小。研究结果可为水泵空化现象的抑制提供理论依据。

关键词

轴流泵 / 机匣处理 / 数值模拟 / 叶顶泄漏流 / 空化性能

Abstract

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To mitigate cavitation issues in low‑lift submersible axial flow pumps during operation，a method inspired by the use of circumferential groove casing treatment for stability enhancement in compressors was proposed. This approach involved applying circumferential groove casing treatment to axial flow pumps. Seven different casing treatment schemes were designed，and their effects on the cavitation performance of the pump were investigated through steady-state numerical simulations using the SST k-ω turbulence model and the Zwart-Gerber-Belamri cavitation model. The study focused on three key parameters：the installation position，width，and depth of the circumferential grooves.The results indicate that cavitation is primarily caused by low‑pressure regions formed by the leakage flow at the blade tip.After installing the circumferential grooves，the pump head experienced some loss，with the installation position of the grooves having the most significant impact on cavitation performance. Compared to a smooth wall casing，cavitation occurred earlier when the groove is positioned at 10% of the axial chord length，while the best anti‑cavitation performance is achieved when the groove is located at 45% of the leading edge of the axial chord length at the blade tip，reducing the required net positive suction head （NPSH） by 2.9%. Among three groups of grooves with different widths，it was found that as the groove width increased，the pump's anti‑cavitation performance improved，with the maximum NPSH reduction reaching 4.01%，although this also led to increased head loss.Additionally，three grooves with different heights all resulted in a 2.9% reduction in NPSH，indicating that groove height has a relatively minor impact on cavitation performance. The findings of this study provide a theoretical basis for suppressing cavitation in water pumps.

Key words

axial flow pump / casing treatment / numerical simulation / tip leakage flow / cavitation performance

引用本文

童志庭, 路祥宾, 苏宏冉, 张功元, 张月. 周向槽机匣处理对轴流泵空化特性的影响. 流体机械, 2025 , 53 (10) : 111 -118 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.10.013

Zhiting TONG, Xiangbin LU, Hongran SU, Gongyuan ZHANG, Yue ZHANG. Study on the influence of circumferential groove casing treatment on cavitation characteristics of axial flow pumps[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (10) : 111 -118 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.10.013

正文

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0　引言

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轴流泵是众多泵类的一种，能将机械能通过叶片转化成液体的动能，具备大流量、低扬程的特点^［1-2］。在轴流泵运行时，会产生空化现象，空化是局部低压引起气核生长的现象^［3］，该过程所形成的蒸汽泡在较高的压力区域时会崩溃^［4］，对固体壁面产生空蚀破坏。此外，大量的气泡生成和溃灭，不仅会使泵在运行过程中产生振动和噪声^［5-6］、影响泵的稳定运行，还会影响泵的效率^［7］。这就要求泵具备较高的抗汽蚀性能，以确保泵的使用寿命。因此，提高泵的抗空化性能是水轮机研究领域的一项重要任务。

由于叶轮顶部间隙的存在，产生的叶顶泄漏流通过叶顶间隙，与主流在吸力面形成叶顶泄漏涡（tip leakage vortex，TLV）。由于涡中心的压力较低，进而发生叶顶泄漏涡空化及一系列的诱导涡空化^［8-10］。而周向槽机匣处理是压气机中一种常见的机匣处理方式，主要作用是提高压气机的稳定性和气动性能^［11-12］。

国内外学者对叶顶泄漏涡空化及周向槽机匣处理的研究较多。针对叶顶间隙与空化性能的影响关系，施卫东等^［13-14］对不同的叶顶间隙进行了多工况数值模拟，研究发现叶顶间隙越大，轴面速度和环量受泄漏流的影响越大。HAN等^［15］采用大涡模拟（LES）方法并结合Zwart-Gerber-Belamri（ZGB）空化模型，进行数值模拟仿真，研究了空化-涡旋相互作用的机理。张德胜等^［16］对轴流泵叶顶间隙泄漏涡流场结构进行数值分析，研究得出叶片两侧压力差导致泄漏流的产生，同时泄漏流的流速和漩涡强度随着叶片弦长的增加逐渐减小。李玮琪等^［17］通过控制叶顶间隙泄漏流来改善叶顶区域流动状况，结果表明，加入机匣周向槽后叶顶泄漏涡强度减弱、尺度减小。MU等^［18］在轴流泵机匣上布置沟槽，发现进行机匣处理后可以提高失速状态的性能。程效锐等^［19］研究发现环形槽能有效改善空化性能。王钰等^［20］进行涡轮泵仿真计算和可视化试验，研究发现安装环形槽后，诱导轮扬程略有下降，但旋转空化现象消失。童志庭等^［21］分析了周向覆盖比例、抽吸口位置和喉部高度对水泵扩稳性能的影响规律，揭示了自循环机匣对轴流泵扩稳的改善机理。

综上所述，在合理的机匣位置布置周向槽，能够对叶顶泄漏引起的空化现象进行有效控制。文中以轴流泵为研究对象，通过在叶顶机匣布置周向槽并进行数值模拟计算，揭示周向槽参数对轴流泵空化性能的影响规律。

1　计算模型及方案设计

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1.1　计算模型的基本参数

研究对象为某低扬程潜水轴流泵，为了减少回流和边界条件对轴流泵的影响，使计算结果保持稳定收敛，对进口段和出口段进行一定的延长。轴流泵转轮直径D为202.8 mm，转子有5个叶片，导叶有7个叶片，叶顶间隙为0.6 mm，设计流量为550 m³/h，设计扬程为10.5 m，设计转速为2 300 r/min。图1为轴流泵三维数值计算模型。

1.2　周向槽方案设计

根据压气机周向槽机匣处理的经验，初步选用槽宽b为动叶叶顶轴向弦长C_a的10.84%，槽高h为2b。设置3种对比方案，分别对周向槽的位置、高度、宽度进行模拟计算。周向槽的具体尺寸参数见表1。方案一，选用G1，G2和G3，只改变周向槽的轴向距离Z_a，周向槽机匣分别位于叶片的前缘、中间、尾缘。方案二，选用G2，G4和G5，在方案一最优位置的基础上，改变周向槽的宽度，讨论周向槽宽度对轴流泵空化性能的影响。方案三，选择G2，G6和G7，在方案一最优位置的基础上，改变周向槽的高度，讨论周向槽高度对轴流泵空化性能的影响。图2示出周向槽机匣轴向位置。

2　数值计算方法及验证

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2.1　数值计算方法

湍流模型选用SST k-ω模型，该模型够准确模拟流动边界层，并考虑湍流剪切应力的传递，对逆压梯度下流动分离的开始和数量给出高度准确的预测。模型计算式如下：

∂ ∂ t ρ k + ∂ ∂ x i ρ k u i = ∂ ∂ x i Γ k ∂ k ∂ x i + G k - Y k + S k

（1）

∂ ∂ t ρ ω + ∂ ∂ x i ρ ω u i = ∂ ∂ x j Γ ω ∂ k ∂ j + G ω - Y ω + D ω + S ω

（2）

式中，ρ为流体密度，kg/m³；G_k为层流速度梯度产生的湍动能，kg/（m⋅s³）；G_ω是比耗散率的产生项，它模拟了平均速度梯度如何导致比耗散率增加；Γ_k，Γ_ω分别为k和ω的扩散率，kg/（m⋅s）；Y_k是湍动能耗散项，kg/（m⋅s³），Y_ω是比耗散率耗散项；D_ω为正交发散项，kg/（m⋅s³）；S_k，S_ω为用户定义的参数，kg/（m⋅s³）。

空化模型选用ZGB模型，该模型基于Rayleigh-Plesset单气泡动力学方程，将气泡的形成和演化通过一系列速率方程来描述，与湍流模型更好的兼容，对结果的预测较为准确，计算公式如下：

m + = F v a p 3 α n u c (1 - α v) ρ v R B 23 P v - P ρ l

（3）

m - = F c o n d 3 α n u c ρ v α v R B 23 P - P v ρ l

（4）

式中，m⁺为流体蒸发速率，kg/（m³⋅s）；F_vap，F_cond分别是气化和压缩过程中的经验参数；α_nuc为成核位置的气相体积分数；ρ_v为气体密度，kg/m³；R_B为成核位置的气泡半径，m；P_v为饱和蒸汽压，Pa；ρ_l为液体密度，kg/m³；m^-为流体凝结速率。

使用ANSYS CFX软件进行数值模拟，由于周向槽为一个环面，为了减少计算量，选取周向槽和转子同周期，进行单通道数值模拟计算。进口边界条件设为总压进口，压力为0.1 MPa；出口为质量流量出口，流量为21.83 kg/s。壁面为绝热无滑移壁面，旋转部件与静止部件的连接采用Stage（Mixing-Plane）模式，通道两侧边界为旋转周期性交界面，周向槽和机匣进行完全非匹配连接。流体介质为25 ℃的清水，饱和蒸汽压为3 169 Pa，液体和气体的体积分数分别设置为1和0。将定常非空化仿真的结果作为空化数值计算初始值，通过不断降低进口压力，迫使泵发生空化，以残差收敛到10^-4或进口压力恒定时为收敛依据。

2.2　网格划分

使用TurboGrid软件对转子和导叶模型进行结构化网格划分，其他区域进行非结构四面体网格划分。通过调整近壁面第一层网格高度和网格膨胀比，使y⁺值能够满足SST k-ω湍流模型的要求（y⁺<5）。为了保证数值模拟的精确性，避免占用过多的计算资源，通过不断调整网格质量和网格数，分别对204万、221万、238万、256万、284万和301万共6组网格数进行数值计算，发现泵的扬程随着网格数的增加略有增加，网格达到284万时，扬程误差小于0.1%。图3示出轴流泵y⁺分布及网格划分。

2.3　数值模拟验证

为了验证数值模拟方法的准确性，对所制造的模型进行测试。由于试验中利用的是液压动力源来驱动水泵，无法确保水泵能够以额定转速运行，故选择在2 181 r/min的转速下进行，在相同转速条件下进行数值模拟计算。选取6个特定工况点的试验数据，将其与数值模拟的结果进行比较分析。图4示出轴流泵数值模拟和试验所得扬程H、效率η与实际运行流量q_v的关系曲线。

从整体上来看，数值模拟和试验结果变化趋势基本一致，模拟计算扬程和效率高于试验值，这是由于数值模拟未考虑机械损失。性能曲线变化趋势基本吻合，设计工况点附近2个流量534.4 m³/h和567 m³/h对应的扬程相对误差分别为0.1%和1.9%，效率的相对误差分别仅为1.25%和0.61%，验证了数值模拟的可靠性。

3　计算结果分析

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泵在发生空化时，扬程出现下降，为表述轴流泵的空化性能，采用有效空化余量（装置汽蚀余量）NPSH_a与扬程的关系来表述空化情况，NPSH_a越大越不容易发生汽蚀。以扬程下降3%时对应的有效空化余量，作为泵的必需汽蚀余量NPSH_r，NPSH_r为规定要达到的汽蚀性能参数，其值越小，代表泵的抗空化性能越好。根据文献［22］，有效空化余量定义为：

N P S H a = P i n - P v ρ g

（5）

式中，P_in为进口压力。

3.1　周向槽机匣对空化性能的影响

图5示出了光壁机匣（SW）和不同周向槽机匣轴流泵空化性能曲线。

由图5（a）可以看出，安装周向槽后，泵扬程会出现一定程度的下降，并且不同方案下周向槽轴流泵的空化变化情况基本一致，但是NPSH_r的大小不同。在NPSH_a较高时，轴流泵的扬程基本相同，此时，轴流泵位于空化初生阶段。随着NPSH_a的减小，泵进入空化发展阶段，扬程出现小幅度的上升，在达到最高扬程后，突然急剧下降。随着NPSH_a继续减小，扬程继续降低，空泡逐渐堵塞整个流道，此时，空化现象较为严重，为剧烈发展阶段，泵无法正常工作。

由图5（b）可以看出，随着周向槽宽度的增加，泵的扬程损失增多，导致泵扬程下降明显。但是，随着宽度的增加，必需汽蚀余量向左移动，说明轴流泵的空化性能随着槽宽的增加而改善。

图5（c）示出SW和不同高度周向槽对轴流泵空化性能的影响，由图可知，3条空化性能曲线变化情况基本重合，说明周向槽高度对轴流泵空化性能影响较小。相对于讨论周向槽高度对空化性能的影响，讨论最优的轴向位置和宽度对泵空化性能的影响更有意义。因此，主要讨论周向槽的轴向位置和宽度对空化性能的影响。

为定量衡量周向槽对轴流泵空化性能的影响情况，引入相对百分数S，如表2所示。相较于光壁机匣，在叶片前缘的G1的必需汽蚀余量较大，表明提前发生空化。位于叶片中间G2和后缘G3的必需汽蚀余量分别减小2.9%和2.63%，说明周向槽位于叶片中间和后缘位置能提高泵的抗空化性能，其中，位于叶片中间位置的周向槽最优。与SW比较，G2，G4和G5三种宽度的周向槽，都可以使泵的必需汽蚀余量降低，并且周向槽宽度越大，泵的必需汽蚀余量下降越明显，对轴流泵空泡的抑制效果越好。G5的必需汽蚀余量降低4.01%，泵的抗空化性能最优。

3.2　流道内空泡分布分析

图6示出SW，G1~G5不同空化阶段流道内空泡演化情况，图片下方为进口。

根据不同阶段的空泡演化，可以直观地观察周向槽轴向位置和宽度对轴流泵空化性能的影响。当NPSH_a=9.81 m时，光壁机匣与不同位置周向槽机匣都处于空化初生阶段，各个方案都有少量空泡存在，主要位于叶片前缘三角区及叶顶位置。相较于SW，G1流道内叶顶区域的空泡主要集中在周向槽后方，周向槽和叶片交际的叶顶位置空泡消失；G2流道内的空泡明显减少，尤其尾缘位置的空泡被吹除；G3流道的空泡相较于SW并没有明显变化。根据G2，G4和G5可以看出，随着周向槽宽度的增加，叶顶区域空泡体积数量逐渐减少。当NPSH_a=7.13 m时，流道内的空泡体积增加，将叶片吸力面基本全部覆盖，空化现象加剧。相较于SW，G1流道内的空泡体积明显增加，且大量的空泡聚集在周向槽后的叶顶区域。在G2流道中，由于周向槽位于SW叶顶空泡体积最多的位置，叶片压力面的高能液体通过周向槽流入吸力面，改善了该区域的空泡分布状态，空泡体积减少。G3位于空泡的尾缘，主要影响尾部的空泡区域。根据G2，G4和G5可以看出，随着周向槽宽度的增加，位于叶片顶端的空泡被清除，空泡的总体积减少，且空泡区域被划分成2个独立的部分。此时，SW处于临界空化阶段，G1提前发生空化，G2~G5仍处于空化发展阶段，未到达必需汽蚀余量点。当NPSH_a=6.94 m时，G5处于临界空化阶段，其他方案都已经处于剧烈空化阶段。此时，轴流泵几乎丧失做功能力，性能严重下降，大量的空泡堵塞流道。

3.3　叶轮截面压力分布分析

图7示出SW，G1~G5不同空化阶段，98%叶高圆周截面的静压云图，其中上方为进口。由于叶顶间隙的存在，叶顶泄漏流通过叶顶间隙与主流在叶片吸力面相互卷吸形成叶顶泄漏涡，流体在泄漏涡区域流速加快，形成了局部低压区（图中蓝色区域），低压区与空泡分布基本重合。

由图7（a）（b）可知，在空化初期，低压区主要集中在叶片背面进口处，空化云呈三角形分布。随着空化余量的降低，叶片背面的低压区逐渐向叶片尾缘位置扩张。当NPSH_a=9.81 m（空化初生）和NPSH_a=7.13 m（SW临界空化）时，G2中的周向槽位于SW低压区面积最大的位置，压力梯度较高，在压差作用下，周向槽将叶片压力面的高压流体周向运输到吸力面的低压区，使吸力面的低压区面积减少。相反，G1中的低压区主要集中在周向槽后方，不但没有减少低压区范围，反而有扩大的迹象。由于G3位于尾缘位置，叶片两端的压力差较小，对吸力面的的影响较小。由G2，G4和G5可以看出，随着周向槽宽度的增加，低压区的面积在减少，这是由于槽宽的增加，对低压区的覆盖面积更大，从压力面带来更多的高能流体，改善了叶片吸力面的低压区的分布，从而抑制空化的发展。当NPSH_a降到6.94 m时，低压区面积继续扩大，已经完全覆盖整个吸力面，此时，G5处于临界空化阶段，其他方案都已经处于剧烈空化阶段，泵已无法正常工作。

4　结论

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（1）安装周向槽后，额定工况下的水泵扬程略有下降。周向槽安装位置不同，对空化性能的影响不同，当周向槽位于叶片轴向弦长10%位置时，空化提前发生。周向槽位于叶片轴向弦长45%位置，对空化的抑制效果更好，这是由于周向槽将压力面的流体引入到吸力面，减小了吸力面低压区面积，使得泵的必需汽蚀余量降低2.9%。

（2）在最优位置的基础上，继续改变周向槽的宽度和高度，当周向槽的宽度增加时，可以有效减小吸力面低压区的面积，当周向槽宽度增至8 mm时，必需汽蚀余量降低4.01%，同时随着宽度的增加，泵的扬程损失增大。而周向槽的高度对轴流泵空化性能影响较小。

参考文献

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文献

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排序方式：

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2025年第53卷第10期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.10.013

接收时间：2025-02-05
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-10-31

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收稿日期：2025-02-05
修回日期：2025-08-15

基金

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¹天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384

²天津理工大学机电工程国家级实验教学;示范中心，天津 300384

³福建侨龙应急装备股份有限公司，福建龙岩 364099

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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