空化现象涉及空化初生、发展以及空化泡溃灭这一抽象的动态过程。在常规的本科生空化实验教学中，无法实现流体机械内部空化不同发展阶段与其运行性能变化的关联和描述。本虚拟仿真项目涉及复杂空化现象的认知、泵空化实验操作与控制两个模块。本项目能够使学生更好地理解空化现象的本质、理解与空化相关的复杂工程问题，并且能够有效地解决常规空化实体实验教学中存在的资源有限、学生受益面窄、预习复习难等问题。

在本项目中，首先利用3D动画与数据曲线相结合的立体讲义，使得空化发生时伴随的复杂相变过程更加形象和直观。同时，通过3D视频生动地展现并解释文丘里管和泵内发生空化的原因及流动参数的变化过程，使学生能够借助虚拟环境深入理解并掌握空化现象的本质。

其次，本项目以泵为载体，设计虚拟的泵空化实验系统，设定输送流体的属性，结合实际工程问题选择泵运行的工况，进而通过泵内部流动的虚拟可视化手段来描述离心泵内部发生空化的动态过程，直观地展现空化泡的发展过程；同步采集泵发生空化时的性能数据；基于泵空化特性方程计算泵的空化余量以评价泵的空化性能；对比各运行工况下泵的空化性能、判断泵内空化的初生点；最终根据实验结果，建立泵内空化的初生与发展与泵性能变化的关联，并采用图形方法进行展现。

通过空化现象可视化与控制虚拟仿真实验教学项目，学生能够借助虚拟环境，从领取问题、设计计算、调节参数、控制空化、判断空化性能到逼真地解决一个完整的泵空化性能测定问题，从而提高学生将专业知识应用于解决复杂工程问题的能力，并能够在空化控制环节体现学生的设计能力和创新意识。

常见的液体中均含有肉眼无法分辨的空化核(微小气泡)。当液体中的局部压力降低至其饱和汽化压力时，空化核长大形成空化泡；当液体中的局部压力恢复，则空化泡会收缩甚至溃灭。空化现象就是空化泡产生、发展和溃灭的过程。在能源与动力工程、海洋工程、水利工程、核工程、化学工程等领域，空化已成为以液体作为工作介质的装备的共性问题。

本虚拟仿真实验项目首先要使学生正确地认识空化发生的本质，所以设计了空化认知模块，通过空化与沸腾现象的对比，通过文丘里管内发生空化时流动参数分布的变化，使学生准确地掌握空化的基本概念；进而向学生展示空化的危害，以工程中的实例图片输入虚拟仿真平台，将抽象与工程结合起来。

在泵空化性能参数的测定与空化控制的模块中，本项目通过成熟的数据与方法，通过形象生动的素材，让学生进行设计，进行控制。对于关键空化参数的计算，选取了必需空化余量和装置有效空化余量，这两个参数均是工程中空化问题关注的焦点。对于必需空化余量，其表示由于液体流动而引起的叶片上最低压力点处相对于机械低压侧压力的降低，其只与机械内部流动有关，对于确定机械和工况为常数。必需空化余量是流体机械内部空化性能的度量，而与机械的安装位置和液体性质无关，在一定的外界条件下，必需空化余量的值越小则发生空化的可能性就越低。相对而言，装置有效空化余量是与机械运行的外部环境相关的参数，它表示机械低压侧液体总能头超过液体汽化压力的部分，是机械装置空化性能的度量。装置有效空化余量越高，说明机械低压侧液体具有的能量超过液体汽化压力的余量越多，越不容易发生空化。学生通过本项目，掌握了必需空化余量和装置有效空化余量的计算方法，并理解了必需空化余量在实际工程与设计过程中发挥的作用。

学生在虚拟仿真平台上进行空化实验时，通过一系列步骤计算出必需空化余量，并在其中实施参数控制，观测空化发生发展与泵性能的关系曲线。这些结果均为本专业采用计算流体动力学软件模拟的结果，并已经与实验进行了对比，学生利用符合物理意义的结果去认识物理现象，达到了提高工程能力，开拓创新思维的目的。

本项目的实验内容：

(1) 理解空化现象发生的原因，认识空化现象对于实际工程和机械的危害性；

(2) 掌握泵的空化实验操作方法，调节泵的运行参数，观测空化发生与发展与泵参数之间的关联；

(3) 掌握泵空化特性参数的计算方法：NPSHR（必需空化余量）和NPSHA（装置有效空化余量）；

(4) 根据采集的不同参数条件下泵的运行数据，绘制出不同工况下泵空化性能曲线；

(5) 分析不同工况下泵发生空化时扬程下降的原因，掌握泵初生空化性能的测定方法。

注：每个实验2课时或以上，分为复杂空化现象的认知、离心泵空化控制实验，其中涉及学生交互性实验步骤达10步以上。