在保證效率和揚程的前提下，為了最大限度地提高混流泵空化性能，利用基于正壓流體狀態(tài)方程的空化模型，開展了混流泵空化性能研究.發(fā)現(xiàn)原來采用速度系數(shù)法設計的5葉片混流泵葉片結構并不合理，泵葉輪設計工況下的臨界空化余量較高.針對這一問題，增加混流泵的葉片數(shù)目為7片，并以效率和揚程作為目標函數(shù)，對7葉片混流泵葉片進口邊形狀、葉片前緣厚度以及葉片厚度變化規(guī)律進行了優(yōu)化設計.混流泵優(yōu)化前后3種不同葉片結構方案的空化性能對比分析結果表明：混流泵葉片進口邊適當向進口方向延伸，葉片進口邊前緣減薄，以及改變?nèi)~片厚度的變化規(guī)律，將使混流泵的臨界空化余量大大降低.優(yōu)化設計后的混流泵效率為90.857%，揚程為163.86m，優(yōu)化后的臨界空化余量為28.64m，相比優(yōu)化前降低了45%，有效地改善了混流泵在設計工況下的空化性能，為今后該類高溫高壓混流泵的設計和優(yōu)化提供了方向。

　　混流泵由于兼具大流量和高揚程的優(yōu)點，可作為核反應堆冷卻劑用泵.然而，由于核主泵工作范圍內(nèi)不允許發(fā)生空化的苛刻要求，在核主泵設計階段，掌握泵結構對空化性能的影響規(guī)律，提高泵的抗空化能力至關重要.目前，國內(nèi)外研究者主要采用CFD方法，基于不同的空化模型，研究混流泵空化性能和泵內(nèi)結構的映射關系，但是，涉及混流式核主泵空化方面的研究相對較少。

　　甘加業(yè)等基于輸運方程空化模型，驗證了混流泵采用小的葉片角可以提高泵的空化性能.吳大轉(zhuǎn)等研究發(fā)現(xiàn)混流泵采用前彎型進口邊時，其空化性能要比后彎型好.羅先武等針對較低比轉(zhuǎn)速離心泵的分析結果表明，葉片進口邊朝葉輪輪轂方向適當延伸可以明顯改善泵的水力性能和空化特性.范宗霖等研究發(fā)現(xiàn)混流泵進口邊形狀向葉輪吸入口方向凸出越大則空化性能越差，并指出葉片進口邊形狀引起泵空化余量改變是一個復雜多變量優(yōu)化問題.文獻基于輸運方程空化模型較為準確地預測了混流泵的空化性能，但是，并沒有提出改進結構的方法.文獻用多目標設計方法對某混流泵進行優(yōu)化設計，但是并沒有對優(yōu)化后的結果進行空化計算及空化性能分析。

　　鑒于此，本文利用Design3D 軟件對所設計的混流泵葉片結構進行多目標優(yōu)化，真空技術網(wǎng)(http://www.13house.cn/)基于正壓流體狀態(tài)方程的空化模型，研究混流泵的空化性能，在保證混流泵外特性的前提下，尋求降低混流泵臨界空化余量與結構優(yōu)化的對應關系。

1、正壓流體狀態(tài)方程空化模型

　　根據(jù)對單一介質(zhì)密度定義的方式不同，空化模型可分為2種：基于輸運方程的模型和基于狀態(tài)方程的模型.輸運方程空化模型考慮了氣液兩相間的質(zhì)量輸運，目前應用比較廣泛.然而，狀態(tài)方程空化模型以其計算速度快、收斂性好等優(yōu)點，在復雜結構透平機械中越來越受到關注。

　　狀態(tài)方程模型由Delannoy 提出，隨后，Coutier-Delgosha等又對該模型提出了改進.其基本思想是將空化流作為一種均勻平衡氣液混合物，基于狀態(tài)方程來描述水和水蒸氣之間的相變.即假定流體為正壓流體，流體密度是壓力的單值函數(shù).由此再聯(lián)立求解混合物的連續(xù)性方程和動量方程，從而求得氣流混合物的密度分布。流體密度與壓力之間的關系表示為ρm =ρm(p)，該函數(shù)用分段函數(shù)表示，如圖1所示。

圖1 流體密度與壓力的關系

結 論

　　(1)對NACA66(mod)翼型進行的空化數(shù)值研究表明，所采用的空化模型可以準確地分析空化流動，證明了其有效性。

　　(2)對5葉片混流泵葉輪的空化性能分析表明，其臨界空化余量較大。

　　(3)以揚程和效率作為目標函數(shù)，對7葉片混流泵的進口邊形狀、葉片前緣厚度以及葉片加厚規(guī)律進行的優(yōu)化結果表明：優(yōu)化后的混流泵臨界空化余量相比優(yōu)化前降低了45%，混流泵葉片進口邊適當?shù)叵蜻M口方向延伸、減薄進口邊的厚度，以及優(yōu)化葉片厚度變化規(guī)律，可有效地改善混流泵的空化性能。