1.3.4 诱导轮低温介质的空化特性

低温流体一般是指标准沸点低于123 K的流体，如氦、氢、氮、氧和空气等。随着现代空间技术的发展，诸如液氢、液氧的低温推进剂在液体火箭中得到了广泛应用。以我国长征系列运载火箭为例，我国第二代火箭中，除长征十一号运载火箭为固体运载火箭外，其余的作为主推进系统的都是液体运载火箭，包括我国普遍使用的长征三号系列火箭和后面相继发展起来的长征二号捆绑式、长征五号、长征六号和长征七号。从液体推进剂的形式来看，我国早期液体火箭发动机多采用偏二甲肼和四氧化二氮作为推进剂，然而偏二甲肼有剧毒，故我国新一代研制的液体火箭发动机多采用液氧液氢和液氧煤油作为推进剂，最新发展的两种主力发动机（YF-77和YF-100发动机）就是采用上述两种推进剂^[109]。这些高能低温推进剂在运载火箭中的应用，一方面大大提高了火箭的运载能力；另一方面，它们的汽化热小，而且饱和温度远低于周围环境温度^[110]，在输送过程中不可避免地伴随着气液两相流动。在输送管路中，气泡的不断聚合有可能将液柱挤出管路并瞬间喷发，会引起很大的压力波动，甚至导致管路、导管与活门支架的损坏。同时，气液两相流体进入液氧泵也有可能造成严重的运行稳定性问题。Shyy等^[111]指出几乎所有在美国设计的液体火箭推进系统都存在低温空化问题，在这种背景下，析出气泡与空化泡的相互作用，在一定程度上会影响液氧泵的水力性能和空化性能，严重时还会造成事故。

在低温流体输送过程中，由于低温流体的表面张力比水小很多，如果管路漏热导致介质相变析出气泡，运动行为和常温气液两相流动就会有较大差别。此外，低温流体较低的黏性也会直接影响气泡尾迹区域的流场结构，进而影响气液两相流动流型的转变边界^[112]。从目前研究结果来看，学者们在这方面做了大量的工作，并基于水平管、竖直管或者具有一定倾斜角的圆管获得了相对成熟的研究结果，特别是泡状流和弹状流两种流型及其相互转换机制^[113，114]。Lee和Mudawar^[115]在研究制冷剂的流型演化时指出，制冷剂的表面张力比水要小，因而产生的气泡直径更小。这些小气泡可以在微通道内分散流动，使得泡状流和弹状流区域比较宽。Shephard等^[116]对上倾管路中的流型进行了定义和划分，并对各种流型的形成进行了实验和理论分析，认为在倾斜管内充分发展的稳定气液两相流型是泡状流、弹状流和环状流。通常来说，合适的入口流动条件是保证液氧泵运行稳定性的前提。而小气泡的运动以及由此引起的两相流型转变将直接影响进入液氧泵的介质流动细节。Sousa等^[117]认为，液体通常会加速通过气泡周围的液膜区域，并在气泡尾部收缩，形成连续扩张和收缩的振荡运动，这种行为诱发气泡尾迹区域出现小幅度的非定常流动。低温流体流动可视化实验是研究两相流体流动重要的技术手段，基本的方法是在带有光学观察视窗的杜瓦瓶中通过高速摄像机和微距镜头实现图像的捕捉与记录。Murakami等^[118]使用氢作为追踪颗粒，应用PIV技术对超流氦中的喷射流动速度场进行拍摄，并归纳总结了理论预测公式。虽然目前的研究能够基于充分发展的流型获得气泡长度、气泡速度、碰撞频率以及周围湍流场结构等统计数据，然而对于诱导轮入口流场来说，如果存在持续的离散气泡析出现象，在随主流流动的过程中，气泡之间的相互作用会强烈影响气泡形状和界面稳定性，并因此作用于液流场。同时气泡在靠近诱导轮的过程中，受到诱导轮预旋的作用越来越强，气泡流型正常的发展演化也会受到干扰。

在推进器中，高速诱导轮和文丘里管内是最容易产生空化的两个过流元件。诱导轮内的空化结构通常表现为多种不稳定空化形式，其中流量（进口冲角）和进口压力（空化数）决定诱导轮附着空化的形式^[119]；对于低温流体，沸腾与空化的界限相对模糊，温度对空化也起着重要的作用。而叶顶间隙则决定泄漏涡空化的形式^[120]。在实际运行过程中，附着空化和泄漏涡空化的共同作用影响着诱导轮及泵机组的运行稳定性。从目前研究来看，使空化发生在诱导轮内，而不发生在离心叶轮内，是保证泵机组稳定运行的最有效方法，涉及的研究内容主要包括两方面：一是诱导轮自身的空化性能，明确空化状态下诱导轮内气泡的发展演化，确定诱导轮的稳定运行范围；二是分析诱导轮空化对离心叶轮的影响，主要是指空化发展到一定程度时，诱导轮出口会出现一定程度的流动振荡，应明确这种流动振荡是否影响离心叶轮的能量转换以及影响的程度。近些年，随着对涡轮泵性能的要求越来越苛刻，空化引发的各种不稳定问题更加突出，甚至带来灾难性后果。

与常温水介质空化相比，低温流体空化的本质区别是流体介质的物理属性随温度变化敏感。在相同的热流密度下，低温流体内部会产生更大的温度梯度，继而产生更大的压降，使空化流场变得复杂。Sarosdy和Acosta^[121]在1961年最早发现氟里昂空化和水空化的区别。实验发现，水发生空化时，空泡界面清晰，空泡透明；而氟里昂发生空化时，空泡界面模糊，呈泡雾状。低温流体气液界面模糊不清，或者说气相对液体的夹带作用现象已经在多个实验中观察到，Ito等^[122]分别采用水和液氮研究诱导轮回流涡空化，液氮空化也呈现雾化形态。在描述和表征低温空化数值模拟精度时，目前公认的是1972年至1973年Hord在NASA的资助下获得的文丘里管、水翼和尖拱体的低温流体空化实验。Hord针对不同模型、不同温度、不同流体介质和不同流动工况做了大量实验^[123]。基于该实验结果，Zhang等^[124]和Huang等^[125]分别考虑引入热力学效应对气泡生长率和相平衡状态的影响，构建了低温介质空化模型。时素果等^[126]分析了四种不同空化模型对液氮绕流空化模拟结果的影响，模拟结果表面，由于传输模型的物理机制不同，计算结果存在明显的差别。唐飞等^[127]对诱导轮二维叶栅中的低温旋转空化现象进行了数值计算，结果表明温度变化对次同步旋转空化有着显著影响。季斌等^[128]改进了Singhal空化模型，分别应用改进的空化模型和原空化模型计算了293 K和373 K的NACA66水翼空泡流，发现改进模型得到的高温水空化的温度分布更明显。

综上所述，低温流体空化问题一直是学者关注的焦点和难点，低温流体空化由于热力学效应显著使得本就复杂的空化现象又增添了影响因素。马相孚^[129]指出低温流体空化显著的特点是空化区域存在更大的温降和压降。一般情况下，该温降为1～2K，而当地区域的饱和蒸气压可能降至原饱和蒸气压的一半。因此，实际空化区附近的温度不等于远场的流体温度，相应的饱和压力也需要基于当地温度动态更新。而目前多数低温空化模型采用远场温度的饱和蒸汽压，在计算过程中也未考虑温度压力耦合的相变过程对气泡生成率的影响。来流介质在靠近诱导轮的过程中，受到的旋转剪切作用逐渐增强，气泡半径和界面形态等参数也随之出现了较大的变化。需要对热力学效应影响的空化物理机制更深入地了解，开展旋转湍流场内低温气液相间质量传输机理的研究。