微型高速燃油泵空化数值模拟的网格无关性验证与SST k-ω模型近壁面适应性分析

摘要：微型高速离心式燃油泵是小型无人飞行器、靶机、精确制导武器等航空平台燃油系统的核心做功部件，其空化特性直接决定了动力系统的高空适应性与运行可靠性。本文以某型带长短叶片结构的微型高速燃油泵为研究对象，采用 SST k-ω 湍流模型耦合 ZGB 空化模型，开展了不同流量、不同进口压力工况下的空化内部流动三维数值模拟；依据HB 6171—1988《航空发动机燃油泵汽蚀持久性试验方法》搭建燃油泵综合性能试验台，完成了不同转速、不同模拟飞行高度下的泵外特性测试、空化可视化试验与 X/Y/Z 三轴向振动加速度采集，系统分析了泵内空化演变规律与空化诱发的振动特性。研究结果表明：流量、转速、进口压力（飞行高度）对微型高速燃油泵的空化特性具有显著影响；小流量工况下空泡初生于叶片吸力面头部，易在进口弯管内聚集，大流量工况下空泡初生于叶片压力面头部，主要在叶轮流道内发展，叶轮最大含气率可达 70%；空化发生后，泵体 2 倍叶频处的振动峰值随空化程度加剧显著降低，同时激发宽频高频振动信号，该高频分量可作为泵内空化程度的有效表征。本文研究成果可为微型高速燃油泵的空化判别、空化抑制设计与高空稳定运行提供理论支撑和试验依据。

关键词：微型高速燃油泵；空化特性；数值模拟；SST k-ω 湍流模型；ZGB 空化模型；振动特性

第一章、微型高速燃油泵应用及空化研究

随着小型无人航空平台、精确制导武器技术的快速发展，航空动力系统正向高功率密度、小型化、高环境适应性方向迭代，对核心供油部件的性能提出了极为严苛的要求。微型高速燃油泵作为燃油系统的动力核心，其核心功能是将油箱内的燃油以稳定的压力和流量供给发动机燃烧系统，直接决定了动力系统的工作稳定性与飞行平台的任务可靠性。其中，低比转速离心式燃油泵凭借转速高、结构简单紧凑、体积重量小、供油平稳、成本低、工作可靠等优势，成为当前微型航空燃油泵的主流结构形式。

微型高速燃油泵的工作环境复杂多变，尤其是在高空飞行工况下，环境大气压力随海拔升高显著降低，同时环境温度的大幅波动会改变燃油的饱和蒸汽压，极易诱发泵内燃油空化现象。空化发生时，泵内局部压力低于燃油饱和蒸汽压，燃油发生液相向气相的相变，产生大量气泡；气泡随流体流动至高压区时会发生瞬时溃灭，引发一系列有害效应：一方面会导致泵的扬程、效率等外特性显著下降，严重时会造成流道阻塞、供油中断，引发动力系统停机；另一方面，气泡的初生、生长与溃灭会诱发泵内流动紊乱、叶片载荷突变、壁面空蚀，同时会加剧泵体的振动与噪声，长期运行会严重降低燃油泵的使用寿命与可靠性。因此，开展微型高速燃油泵的空化流动机理与空化特性研究，具有重要的学术价值与工程应用意义。

国内外学者针对离心泵空化问题已开展了大量研究，取得了丰富的研究成果。在空化数值模拟方法方面，王维军等基于改进的空化模型与修正的 RNG k-ε 湍流模型，对离心泵设计工况下的初生空化、发展空化与严重空化全过程进行了数值模拟，精准划定了空化区域分布与空化类型，为离心泵空化数值模拟的模型优化提供了思路；赵伟国等采用 SST k-ω 湍流模型耦合 ZGB 空化模型，系统研究了离心泵空化发生过程中的压力脉动规律与空泡体积演变特性，揭示了空化发展与流场不稳定之间的内在关联，验证了该耦合模型在离心泵空化模拟中的适用性；RAKIBUZZAMAN 等采用数值模拟与试验结合的手段，获得了多级离心泵的空化流动规律，明确了级间压力骤降的核心诱因是空化导致的流道阻塞，为多级泵空化性能优化提供了依据。在空化流动特性与抑制研究方面，宋文武等针对离心泵进口回流漩涡诱发的空化空蚀问题，研发了孔板式空化抑制装置，通过优化进口流场结构有效抑制了进口回流与空化初生；王东伟等通过数值模拟与试验测试，揭示了空化条件下离心泵叶轮内的非定常流场特性与压力脉动特征，明确了空泡溃灭是叶轮内不稳定流动的核心来源。

但现有研究仍存在明显的局限性：绝大多数研究以清水为介质，针对常规尺寸离心泵的空化特性开展，针对航空燃油介质、微型流道、高转速工况下的燃油泵空化特性研究报道较少。微型高速燃油泵具有流道尺寸小、工作转速高、介质物性与清水差异大、雷诺数偏低等特点，其空化流动机理与常规离心泵存在显著差异；同时，现有研究较少将空化流动演变规律与泵体振动特性进行系统关联，而振动信号是工程中在线判别泵内空化程度的最便捷手段。基于此，本文以某型微型高速燃油泵为研究对象，采用数值模拟与试验测试相结合的方法，系统研究不同工况下泵内空化演变规律与空化诱发的振动特性，为该类泵的空化防控与性能优化提供理论基础。

第二章、研究对象与数值计算方法

2.1 燃油泵基本参数与三维模型

本文研究对象为某型微型高速燃油泵该燃油泵采用低比转速离心式结构，额定流量120L/h；额定增压40kPa；额定转速7,200r/min；叶轮配置4枚长叶片和4枚短叶片的组合方案，短叶片可有效改善叶轮流道内的流动分布，抑制叶片尾缘的流动分离和射流-尾迹结构的形成，对提升泵的抗空化性能具有积极作用。蜗壳采用等截面环形设计，蜗壳宽度5 mm，与叶轮出口宽度相匹配，保证叶轮与蜗壳之间的动静耦合具有良好的水力匹配性。

基于上述二维水力设计参数，利用三维建模软件构建燃油泵全流道几何模型，计算域包括进口延伸段、叶轮旋转域和蜗壳静止域三部分。进口延伸段设置为6倍进口管径长度，以保证来流的充分发展；出口延伸段设置为3倍出口管径长度，以消除回流对出口边界的影响。

2.2 网格划分与无关性验证

三维模型的网格划分采用Ansys Workbench Mesh完成。进口延伸段采用六面体结构化网格，以保证进口来流的网格质量和计算精度；叶轮和蜗壳区域几何结构复杂，采用四面体自适应网格，并在离心叶片表面布置边界层网格进行局部加密，以准确捕捉近壁面区域的流动特征和空泡分布。

为了获得经济合理的计算网格数量与时间步长，通过网格无关性原则确定了最终的计算网格规模。当最小网格尺度小于或等于0.4 mm时，泵的增压值与扭矩计算结果基本不再变化，此时网格总数约为200万。在此网格条件下，离心叶片和蜗壳壁面的Y⁺分布满足SST k-ω湍流模型对近壁面网格质量的要求，Y⁺最大值控制在25以内，能够有效解析粘性底层内的速度梯度，保证了近壁面湍流计算的精度。

2.3 控制方程与湍流模型

燃油泵内部流动可视为三维不可压缩、高度充分的湍流，其控制方程为雷诺时均Navier-Stokes（RANS）方程与连续性方程。湍流模型选用SST k-ω模型，该模型通过混合函数F₁在近壁面区域采用标准k-ω模型，在远场区域切换为k-ε模型的变形形式，从而兼具了两者的优势。SST k-ω模型对逆压梯度引起的流动分离和再附具有较好的预测能力，尤其适用于离心泵叶轮流道内复杂的旋转湍流模拟。

在近壁面处理方面，SST k-ω模型采用自动壁面函数方法，根据第一层网格节点的Y⁺值自动切换粘性子层解析模式和壁面函数模式，保证了不同网格尺度下近壁面计算的稳定性和精度。

2.4 空化模型

空化模拟采用Zwart-Gerber-Belamri（ZGB）空化模型，该模型基于简化的Rayleigh-Plesset气泡动力学方程，通过引入气相体积分数的输运方程来描述空泡的生成、发展及溃灭过程。气相体积分数的输运方程中，蒸发项和凝结项分别由下式控制：

其中，αᵥ为气相体积分数，pᵥ为饱和蒸汽压，R_B为空泡半径，F_{vap}和F_{cond}分别为蒸发和凝结的经验系数，α_{nuc}为气核体积分数。ZGB模型在离心泵空化模拟中具有良好的收敛性和预测精度，被广泛应用于各类旋转机械的空化数值研究。

2.5 边界条件与求解设置

无空化流场模拟以SST k-ω湍流模型进行定常计算，进口边界条件设置为压力进口，出口边界条件设置为质量流量出口。叶轮旋转域与蜗壳静止域、进口段静止域之间的动静交界面采用冻结转子法（Frozen Rotor）处理，该方法通过周向平均方式实现动静交界面上的信息传递，适用于定常计算。收敛精度设为10⁻⁵。

空化模拟计算以无空化定常计算结果作为初始流场，开启ZGB空化模型和均相流多相模型，通过逐步降低进口压力使燃油泵发生空化。进口边界条件设置为稳定总压进口（Stable Total Pressure），出口边界条件设置为质量流量出口（Bulk Mass Flow Rate）。叶轮和蜗壳壁面采用无滑移光滑壁面条件（Smooth No-slip Wall）。求解的收敛精度同样设为1×10⁻⁵，监测计算参数的残差随迭代步长的变化。

2.6 介质物性参数

计算介质采用Jet A Liquid，其物性参数等同于国产RP-3航空煤油。在30℃的标准温度下，介质密度为780 kg/m³，饱和蒸汽压为4.25 kPa。RP-3航空煤油作为广泛使用的航空燃料，其热物性随温度的变化规律已被系统研究——密度、粘度及饱和蒸汽压均随温度升高而降低，而比热容则随温度升高而增大。空化模拟中，液相和气相之间通过饱和蒸汽压作为相变的压力阈值，当局部静压低于饱和蒸汽压时，液相转化为气相；反之，气相凝结为液相。

第三章、试验台架与测试系统搭建

3.1 试验标准依据

燃油泵空化试验依据HB 6171—1988《航空发动机燃油泵汽蚀持久性试验方法》搭建综合性能试验台。该标准规定了在航空发动机型号规定规定的汽-液比条件下，航空发动机燃油泵抗汽蚀能力的试验方法，适用于发动机燃油系统的所有泵，包括发动机辅助燃油泵、主系统燃油泵和加力系统燃油泵。试验标准不规定试验对象的海拔高度或爬升率，但试验台通过抽真空方式调节油箱内绝对压力，可模拟燃油泵在不同飞行高度（对应不同大气压力）下的进口压力条件，从而实现对空化过程的定量研究。

3.2 试验台系统构成

燃油泵综合性能试验台由燃油循环系统、动力驱动系统、压力调节与测量系统、数据采集系统及振动监测系统五部分构成。

燃油循环系统包括燃油油箱、进口管路、燃油泵、出口管路、流量调节阀及回油管路。油箱容量设计满足试验工况下的持续运行需求，进口管路配置过滤器以防止杂质进入泵内，出口管路设置流量调节阀和涡轮流量计，用于精确控制并测量流量。动力驱动系统采用有刷直流电机，通过可调直流电源实现转速的精确控制。试验中分别测试了供电电压为33 V、29 V和24 V三种工况，对应燃油泵转速分别为8,138 r/min、7,125 r/min和5,933 r/min。

压力调节与测量系统是空化试验的核心部分。油箱顶部通过真空管路连接至真空泵，通过抽真空方式降低油箱内绝对压力，模拟燃油泵在高空低气压环境下的进口条件。进口压力采用绝对压力传感器测量，精度等级为0.1级；出口压力采用表压传感器测量；进、出口温度采用铂电阻温度计测量。

数据采集系统包括流量、压力、温度、转速、扭矩及电流等多通道信号的同步采集，采用工业级数据采集卡，采样频率可根据试验需要灵活设置。所有传感器信号经信号调理后送入计算机，通过专用测试软件进行实时显示、存储和处理。

3.3 振动监测系统

振动监测系统是本文研究空化振动特征的核心测试手段。沿燃油泵壳体布置三个加速度传感器，分别测量X、Y、Z三个轴向的振动加速度信号。其中，X方向对应进口管方向（垂直于叶轮进口截面），Y方向对应泵出口方向，Z方向对应电机旋转轴方向。三个方向的正交布置能够全面捕捉燃油泵在不同振动模态下的响应特征。

加速度传感器采用某通用型单轴加速度传感器，灵敏度高，频率响应范围覆盖燃油泵主要振动频段。信号采集采用八通道INV3062-C2(L)型信号采集仪，采样频率范围为6.25～51,200 Hz，可根据分析需要灵活设置。振动信号经采集仪转换为数字信号后，送入计算机进行时域和频域分析，包括快速傅里叶变换（FFT）、功率谱密度（PSD）估计及频谱特征提取等。为消除环境噪声干扰，每组工况下重复采集多次数据并取平均，同时采集背景噪声作为基准对照。

第四章、试验结果与分析

4.1 不同转速下的外特性分析

燃油泵在三种供电电压（33 V、29 V和24 V）下的实测结果表明：供电电压U=33 V时，转速n=8,138 r/min；U=29 V时，n=7,125 r/min；U=24 V时，n=5,933 r/min。三种转速下的外特性曲线变化趋势一致——增压值均随流量的增加而单调减小，功率随流量的增加而单调增大，变化幅度较为平坦，符合泵相似定律的基本规律。这一规律表明，在不同转速下，燃油泵的流体动力学行为具有良好的相似性和可预测性，为转速换算和性能预估提供了基础。

为进一步验证数值模拟的准确性，将额定工况29 V时转速7,125 r/min下的性能换算至额定转速7,200 r/min，并与试验数据进行对比。对于增压-流量曲线，增压值随流量增大而减小，数值模拟得到的增压值在不同流量下均略大于试验数据，相对误差为4.3%～6.9%。对于效率-流量曲线，泵效率随流量增大而增大，在额定流量120 L/h时达到最大值，数值模拟得到的模型效率始终高于试验值。这一差异主要来源于数值模拟中忽略了壁面摩擦等机械损失，但两者之间的误差小于10%。考虑到空化模拟本身的复杂性和不确定性，这一误差水平在工程可接受范围内，验证了本文所采用数值方法的准确性。

4.2 空化数值模拟分析

4.2.1 叶栅切片上的空泡演变

不同流量工况下，不同有效空化余量NPSH时叶栅切片内的空泡演变过程呈现出显著差异。随着NPSH的减小，叶栅内空泡体积逐渐增加，空泡在叶栅中的发展变化规律与流量大小密切相关。

在20 L/h小流量工况下，当NPSH=0.33 m时，空泡初始产生于叶片吸力面头部。此时叶栅上游来流与叶栅形成较大正冲角，在叶片背部（吸力面）产生局部低压区，导致空泡首先在此处形成。随着NPSH进一步降低，空泡在叶栅内部逐渐扩散到叶片压力面，体积迅速增大，直至阻塞整个流道，最终扩散到叶栅上游形成完全空化，导致流道内流体连续性中断。小流量工况下空泡向上游扩散的特征，与叶轮进口弯管内的流动分离和回流涡密切相关——回流涡中心的低压区为空泡在上游的聚集提供了条件。

与20 L/h工况形成鲜明对比的是，在120 L/h大流量工况下，空泡的产生位置和发展方向截然不同。当NPSH=3.4～4.0 m时，空泡首先产生于叶片压力面头部而非吸力面，并且扩散后充满了叶栅流道及整个下游叶轮流道，而非向上游扩散。大流量工况下，叶栅入口处对来流产生强烈的排挤效应，流速急剧增大，静压显著降低，在压力面头部形成低压区从而诱发空泡。随着NPSH的降低，空泡沿流道向下游扩展，最终在叶轮流道和蜗壳内聚集。

60 L/h中间流量工况下的空泡演变特征介于小流量和大流量之间，表现为空泡在吸力面头部初生后，同时向上游进口弯管和下游叶轮流道两个方向扩散，呈现出过渡性特征。

4.2.2 叶轮中间截面上的空泡演变

空泡在叶轮各流道内的分布呈现出一定的不均匀性，这是由于叶轮各流道流动状态的不均匀所致。与叶栅展开图相对应，不同流量工况下空泡分布的演变规律存在本质差异。

小流量工况下，空泡在叶轮进口产生后，并非主要聚集在叶轮流道内部，而是聚集在进口弯管内，随着NPSH降低，空泡体积在进口弯管内持续增大，最终形成气腔导致断流。这种“上游型空化”特征意味着小流量工况下空化发展的主要威胁是进口段的阻塞而非叶轮本身的做功能力下降。

大流量工况下，产生的空泡主要在叶轮流道内聚集，甚至扩散到蜗壳内部。空泡沿叶片表面从头部向尾缘发展，阻塞叶轮流道的有效过流面积，导致叶轮做功能力急剧下降。同时，蜗壳内含气率的增加会进一步恶化泵的出口压力稳定性。

4.2.3 过流部件含气率分析

不同流量工况下过流部件含气率的定量分析表明，空化产生的燃油蒸气主要存在于叶轮流道及进口管道内。随NPSH的降低，进口段与叶轮中的含气率均呈现迅速增加的趋势，但不同流量工况下的增长速率和分布特征存在显著差异。

20 L/h流量工况下，当NPSH>0.13 m时，进口段含气率始终小于5%；但当NPSH降至0.13 m以下时，进口段含气率迅速增大，最大可达50%。叶轮中的含气率变化趋势与之类似。这一结果表明，小流量工况下空化发展的临界NPSH约为0.13 m，低于该值时空泡在进口段内急剧累积，导致断流。

60 L/h流量工况下，当NPSH>0.58 m时，进口段含气率小于5%；当NPSH降至0.13～0.58 m之间时，进口段含气率快速增大至30%，叶轮含气率最大可达45%。临界NPSH的升高反映了中间流量工况下空化发生的敏感性增强。

120 L/h流量工况下，当NPSH<0.6 m时，进口段含气率始终小于5%，说明大流量工况下空泡主要不在进口段聚集；而叶轮含气率最大可达70%，蜗壳含气率最大至12%。叶轮内极高的含气率解释了为何大流量工况下泵的增压性能在空化发生后急剧下降——叶轮流道被空泡严重阻塞，有效做功面积大幅减小。

4.2.4 可视化空泡演变

为直观验证空泡的产生与发展过程，采用透明树脂材料3D打印燃油泵壳体，经抛光处理后进行空化可视化试验。试验通过抽真空方式逐步降低油箱内绝对压力，模拟燃油泵在高空低气压环境下的运行条件。

随着油箱内压力的降低，仿真与可视化试验均可清晰观察到空泡初生的位置位于进口弯管的内侧壁面处。这一位置对应来流转向时的流动分离区，局部低压为气相析出提供了条件。随着进口压力的进一步降低，空泡区域从弯管内壁面向吸入弯管中心扩散并逐渐增大，形成明显的气-液两相分界面。当进口压力降低至临界值以下时，空泡体积急剧膨胀，最终充满整个进口管道截面，导致完全断流。可视化试验结果与数值模拟预测的空泡初生位置和发展过程吻合良好，进一步验证了数值模拟的可靠性。

第五章、空化振动特性分析

5.1 无空化时不同转速下的振动特征

在无空化条件下，燃油泵的振动频谱呈现出与叶轮旋转频率直接相关的特征分布。在所有测试转速下，功率谱密度（PSD）的最大峰值均出现在16倍转频（fn）处，即2倍叶频（2×BPF）。该峰值对应于叶轮叶片周期性掠过蜗壳隔舌时产生的流体动静干涉激振力，是离心泵最主要的振动激励源。Z方向的振动峰值均大于X、Y方向，这是由于Z方向（旋转轴方向）受到电机转子不平衡力和轴承轴向力的共同作用，振动响应更为显著。此外，在转频fn处也存在明显的峰值，对应于转子不平衡引起的基频振动。

在偏离额定转速点的转速（8,138 r/min和5,933 r/min）运行时，相应方向的功率谱密度峰值均大于额定转速点（7,125 r/min）的峰值。这一现象说明，在额定转速工况下，泵内流体激振力更小，流动能量损耗较低，泵的水力设计在额定点附近达到了最优匹配。具体而言：转速为8,138 r/min时，不同流量工况下的功率谱密度峰值几乎不变，说明高转速下振动对流量变化不敏感；转速为7,125 r/min时，60 L/h流量工况下各方向功率谱密度峰值最小，表明该工况点流动最为平稳；转速为5,933 r/min时，120 L/h流量工况下各方向功率谱密度峰值最小，反映了低转速下大流量工况的振动优势。

5.2 转速n=8,138 r/min时的空化振动特性

燃油泵在转速8,138 r/min时，不同飞行高度（对应不同进口压力）下的振动特性呈现出规律性的演变。通过对比无空化状态下的同工况振动特性，可以清晰识别空化对振动频谱的影响机制。

高度为5,000 m时，燃油泵已进入空化流动状态。此时，各方向振动频率分布的整体格局未发生根本性改变，最大峰值频率仍为2倍叶频（16fn）。然而，Z方向的振动峰值大小下降明显，下降幅度达到85%左右，并激发出较宽频率范围的高频振动信号。X、Y方向的振动峰值大小变化相对较小。这一现象表明，空化初期液体断流导致叶频下的流体动静干涉激振力减弱，但空泡的产生和溃灭等非稳态过程激发了更高频段的振动能量。各流量工况下的振动频谱峰值分布与大小接近且变化规律相类似。

随着高度进一步增加至9,000 m，空化流动程度加剧。20 L/h和120 L/h流量工况下，X、Y方向的振动峰值下降至原来的70%左右，60 L/h工况下降幅度较小。Z方向在高度为5,000 m时已出现非叶频倍频的振动信号，高度增加后，振动能量峰值进一步减弱。伴随峰值的降低，所有方向均激发出较高频率的振动信号，特别是在X、Y方向上，振动频谱中出现了明显的高频宽频成分。高频信号的产生源于空泡溃灭时释放的冲击波能量——空泡在高压区瞬间溃灭时，周围液体以极高的速度填充空泡空间，产生强烈的压力脉冲，激励壳体产生高频振动响应。

5.3 转速n=5,933 r/min时的空化振动特性

当转速降低至5,933 r/min时，燃油泵的振动频率分布更加清晰，频谱中可明显识别出2倍叶频、4倍叶频（32fn）及转频（fn）的振动峰值信号。低转速下流体激振力减弱，频谱结构更加单纯，有利于各频率成分的分离与识别。

在5,000 m飞行高度发生空化后，振动频谱出现了值得关注的变化：Z方向的4倍叶频振动功率谱密度大小显著增大，而2倍叶频的变化不明显。4倍叶频的突增可能与空化条件下叶片间流动的不对称性增强有关——当部分流道被空泡阻塞而相邻流道仍保持通畅时，叶轮周向流动的均匀性被破坏，产生二次谐波和更高次谐波的激振力。随着高度的增加（空化程度加深），2倍叶频和转频下的振动功率谱密度幅值均呈现下降趋势，但Z方向4倍叶频的振动功率谱密度幅值有所增大。这一趋势表明，在不同转速条件下，空化对振动频谱的影响既有共性规律（低频峰值下降、高频成分增加），也存在转速相关的特异性差异。

5.4 空化振动特征的综合讨论

综合以上分析，微型高速燃油泵在空化条件下的振动特性可归纳如下规律：空化发生时，每个轴向在2倍叶频处均出现明显的振动峰值，依次增大趋势为Z、Y、X方向；随着高度增加、空化程度加剧，各方向振动频谱的最大峰值均呈现降低的趋势，但与此同时激发出较高频率的宽频振动信号（频率大于2倍叶频）；振动功率谱密度幅值的变化规律与空化发展程度具有较好的对应关系——峰值降低的幅度和高频成分的能量占比可作为泵内空化程度的有效表征。

上述规律的物理机制可解释为：空化发生后，液体介质的连续性被破坏，叶轮流道内的空泡区域减小了流体与叶片的有效接触面积，从而削弱了叶频下的动静干涉激振力，导致叶频振动峰值降低；与此同时，空泡的产生、迁移和溃灭是一个高度非稳态的过程，空泡溃灭时释放的冲击波能量频谱较宽，主要集中在中高频段（2～5 kHz），从而激发出壳体的高频振动响应。因此，通过监测燃油泵壳体在叶频和高频段的振动能量变化，可以实现对泵内空化状态的在线识别和程度评估。

第六章、燃油泵空化特性与振动特性的影响总结

本文以某型微型高速离心式燃油泵为研究对象，采用 SST k-ω 湍流模型耦合 ZGB 空化模型，开展了不同工况下的空化流动数值模拟，搭建了符合行业标准的综合性能试验台，完成了外特性、空化可视化与振动特性测试，系统研究了流量、转速、进口压力（飞行高度）对泵空化特性与振动特性的影响，得到以下核心结论：

本文采用的数值模型具有良好的准确性，增压计算值与试验值的相对误差为 4.3%~6.9%，效率计算值的相对误差小于 10%，空化演变过程与可视化试验结果高度吻合，可为微型高速燃油泵的空化数值模拟提供可靠的模型方案。

微型高速燃油泵的空化演变规律与流量工况密切相关：小流量工况下，空泡初生于叶片吸力面头部，易在进口弯管内聚集，导致进口段含气率大幅升高，最高可达 50%；大流量工况下，空泡初生于叶片压力面头部，主要在叶轮流道内发展，叶轮最大含气率可达 70%，蜗壳最大含气率约 12%；随着空化余量降低，空泡逐步扩散至整个流道，最终导致泵断流。

无空化状态下，泵体振动的核心激励源为叶片与蜗壳的动静干涉，最大振动峰值出现在 2 倍叶频处，Z 向振动幅值显著大于 X、Y 向；额定转速工况下的整体振动水平最低，流动稳定性最好，偏离额定转速会导致振动幅值显著升高。

空化的发生与发展会显著改变泵体的振动特性：随着空化程度加剧，叶频及其倍频的振动峰值显著降低，同时会激发宽频的高频振动信号，该高频分量与空化发展程度密切相关，可作为泵内空化程度的有效表征；不同转速下空化诱发的振动特性存在差异，高转速下 2 倍叶频峰值降幅显著，低转速下 4 倍叶频的振动分量会随空化加剧而增强。

本文研究成果系统揭示了微型高速燃油泵的空化流动机理与空化诱发的振动特性，可为该类泵的空化判别、空化抑制设计与高空稳定运行提供理论支撑与试验依据。后续研究将进一步开展空化抑制结构优化，基于振动信号构建空化程度在线监测模型，提升微型高速燃油泵的高空适应性与运行可靠性。

&注：文章部分内容引用于：【廉佳，王维军，王晓全，王新超 ，邹轶群，吴刚，微型高速燃油泵空化数值模拟与试验研究】，由于小编水平有限，对所阅读文献的翻译及总结难免有误，错误之处敬请指正，非常感谢。本公众号推送内容以交流学习为目的，并非商业用途，所使用的配图均来源于公开网络获取，如有侵权，请联系协商处理。

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