（流体机械及工程专业论文）离心泵叶轮内相对速度的实验研究.pdf

西华大学硕士研究生学位论文 摘要 泵在国民经济各部门都有着广泛的应用，可以说，在有流体流动的地方 就有泵在工作。实验研究离心泵内流场是改善泵性能的关键。本研究将以实 验方法有针对性的测试相对速度分布，并以此修正现有的理论结果。 本实验应用p i v 系统( 粒子成像测速) 这种先进的流场测试技术在不干 扰流场的情况下进行高精度的测量，即利用撒在流体中的粒子对光的散射作 用，用光学的方法记录下粒子在不同时刻的位置，从而得到粒子的位移，基 于粒子对流场的跟随性，测出水流在离心泵叶片流道内和涡壳内的绝对速度 分布并利用软件进行数据处理，得到离心叶轮内部从吸力边到压力边相对速 度的分布，从而验证了泵内流场的一些重要规律。 本文介绍了试验装置布置、p w 的测试原理、试验方法、试验数据的处 理及试验结果的分析。试验的数据利用i n s i g h t 、t e c p l o t 、m a t l a b 等 软件进行处理。 、 关键词：实验研究相对速度p i v 系统数据处理 西华大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t p u m p a r eu s e de x t e n s i v e l yi nn a t i o n a le c o n o m y t h i sr e s e a r c hw i l iu s et h e w a y o fe x p e r i m e n t st oa i md i r e c t l ya ta n dm e a s u r i n gt h ed i s t r i b u t i o no fr e l a t i v e v e l o c i t ya n dr e v i s i n gt h ep r e s e n t t h e o r e t i c a lr e s u l t p e o p l eh a v em a d e u s eo ft h e s ea d v a n c e dm e a s u r i n g t e c h n i q u eo ff l u i df i e l d t o p e r f o r me x a c th j 曲l ym e a s u r e m e n ti n t h ec a s eo fn o ti n t e r f e r i n gw i t hf l u i d f i e l d t h i se x p e r i m e n tm a d eu s eo fs y s t e mo fp i v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y l t h a ta d v a n c e d m e a s u r i n gt e c h n i q u e o ff l u i df i e l dt o p e r f o r m e x a c t h i 曲l y m e a s u r e m e n ti nt h ec a s eo fn o ti n t e r f e r i n gw i t hf l u i df i e l d n a m e l y , i tu s e o p t i c a l a s t i g m a t i s mo ft h ep a r t i c l ei nt h ef l u i dt or e c o r dt h es i t eo fp a r t i c l ea td i f f e r e n t t i m e a c c o r d i n g l y ，i tw i l lr e q u i r et h er e p l a c e m e n to fp a r t i c l e sa n dm e a s u r et h e a b s o l u t e v e l o c i m e t r y o fw a t e ri nt h e c e n t r i f u g a li m p e l l e rp a s s a g ea n d u s e s o f t w a r et op r o c e s sd a t aa n dr e q u i r et h eb l a d e t o b l a d ed i s t r i b u t i o no ft h et o t a l r e l a t i v ev e l o c i t i e sf r o ms u c t i o nt o p r e s s u r e s i d ei nt h e c e n t r i f u g a li m p e l l e r p a s s a g e c o n s e q u e n t l y , i t c o n f i r m i m p o r t a n tl a w so ff l u i di nt h ep u m p t h i sp a p e ri n t r o d u c e se x p e r i m e n t a ls e t t i n g sa n dt h et e s t i n g a r r a n g e m e n t ， p r i n c i p l eo fp i v ，t h ep r o c e s sm e t h o do fd a t aa n dt h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t r e s u l tt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n tw a sc a l c u l a t e da n d a n a l y s e sb y t h es o f t w a r e s u c ha sm a t l a b t e c p l o ta n d q s i g h t k e yw o r d ：e x p e r i m e n tr e s e a r c h r e l a t i v ev e l o c i t yt h e s y s t e m o fp p r o c e s sm e t h o do fd a t a 2 西华大学硕士研究生学位论文 第一章绪言 1 1概述 不管是国内还是国外，到处都需要输送液体的泵类。泵的型式很多，有 离心式、轴流式、混流式，但是生产中使用最多的还是离心泵。离心泵具有 转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、运行可靠、操作简单、维修容 易等许多优点，所以成为各类泵中最主要的类型，在国内外各个工业部门中 得到广泛的应用。 离心泵的主要性能参数有：扬程、流量、转数、功率等等。对于一台运 行着的泵来说，这些参数是互相制约的，当其中一个参数变化时，其他参数 都跟着变化，离心泵的工作性能就是通过这些参数来体现出来的。为了提高 离心泵运行的性能包括它的安全性、经济性和可靠性，很多研究人员进行了 大量的实验研究。离心泵内流场的规律是泵的基本方程即欧拉方程的基础， 也是产品实现设计要求的基本保证。离心泵内部流动研究可追溯到2 0 世纪 2 0 年代。f c v i s s e r 7 】和c h ，l i u t 剐通过l d v 分别对f l u i df l o wi nar o t a t i n g l o w s p e c i f i c s p e e dc e n t r i f u g a li m p e l l e rp a s s a g e 和f l o wc h a r a c t e r i s t i c s o fa c e n t r i f u g a lp u m p 进行了研究，得出了很重要的流动规律。f i s h c e r 和 t h o m a 2 6 用传统的流场显示技术研究了离心泵内部流动，结果表明，在所有 的实验工况下，离心泵叶轮内部的真实流动与基于理想流体的流动分析结果 有明显的差别，且发现叶片吸力面侧存在一“死水区”，在大流量工况下， 叶片压力面有流动分离现象。2 0 世纪5 0 年代，a c o s t a 和b o w e r m a n 【2 7 用随 叶轮旋转的压力计，测量叶轮内的压力分布和速度分布，得出在小流量至设 计流量以上的相当大的范围内，时髦的吸力面侧是泵叶轮内部流动损失相对 集中的区域。f o w l e r t 2 8 】于1 9 6 8 年测量了旋转径向流道内的流动，发现流道 出口附近吸力面流速明显低于压力面，与势流预测正好相反。m o o r e 2 9 l 用热 线风速仪测量到射流的剪切层。a d l e r 和l e v y 3 0 】用激光多普勒技术测量了 闭式后弯叶轮的内部流动，实验表明流动是稳定的，没有分离，与开式叶轮 西华大学硕士研究生学位论文 有所不同。l e n n e m a n n 和h o w a r d 3 1 用氢气泡实现流动显示，研究了闭式和 开式叶轮的流道机理。近年来，国内一些科研人员也利用各种方法进行了离 心泵内部流动测量，从而使离心泵的结构形式不断地得到改进。 研究离心泵内流场是改善泵性能的关键。但叶轮内流场的相对流动很复 杂，而且流体随着叶轮高速旋转，侵入式测量会干扰流场，引起测量偏差。接 触式气固两相流体的测量元件容易发生堵塞及磨损，从而妨碍仪器正常工 作，减少仪器使用寿命另外，流动中不可避免要受噪声、振动等非测量因 素的干扰，使得测量结果不能反映真实效果，因此实验测试结果误差大，精 度很低，甚至得出的数据很不可靠。总之，由于受实验条件和经验的限制， 目前国内流体机械内流场研究中，主要成果集中在基于不同理论和方法的编 程计算成果，或者以不同的商业软件过流部件造型计算。国内以实验方法获 得内流场内部规律的报道很少，所见有限论文中也存在测试方法落后，测试 工况较少等问题。难于全面、准确地描述过流部件中的流动规律。激光的发 现是2 0 世纪6 0 年代初重大科技成果之一，激光从其问世至今仅4 0 余年， 已在国防军事、工业生产、医学卫生及科学方砸发挥了重要的作用，特剐是 近代p i v ( 粒子成像测速) 技术的日趋成熟，使对流体进行非接触性的测量 成为可能。并且它突破了单点测量技术( u ) v ) 的局限性，从而实现了对整 个流场的瞬态测量。目前有许多研究人员已经利用这些先进的流场测试技术 在不干扰流场的情况下进行高精度的测量。在加拿大已有人使用这些先进的 技术研究深并泵流场，石油大学( 北京) 海洋力学试验室应用p i v 进行了测 定不同流量时泵内流场的分布规律的试验研究。粒子成像测速技术利用撒在 流体中的粒子对光的散射作用，用光学的方法记录下粒子在不同的时刻在流 场的位置，从而得到粒子的位移，基于粒子对流场的跟随性，测出粒子所在 的位置上流体的速度及瞬时运动参数，利用有关物理学及力学的假设和定 律。并根据相应的数学模型，通过一系列数字运算即可得出反映流场特性的 参数( 粒子位移、速度等) 。粒子图像测速的非接触、瞬时、动态、全流场 的和本质上是直接的速度场测量技术，成为当今最实用和非常有潜力的流体 力学全流场观测( f u l lf t o wf i e l do b s e r v a t i o n m e a s u r e m e n t ) 技术。 4 西华大学硕士研究生学位论文 本实验用p i v 技术有针对性地对离心泵叶轮内相对速度的规律进行研 究，从而验证了离心叶轮内部从吸力边到压力边相对速度的分布以及涡壳内 部的流动规律。这一研究国内尚无相关的报道。 1 2 本文的目的、意义 以测试方法获取和认识离心泵不同部位在不同运行状态的内流场流动特 征和速度分布是离心泵正问题研究领域中一种可靠性高、结果准确的方法。 也是水泵工作者长期努力的目标。这些内流场测试结果是探索发现离心泵过 流部件中流动机理和特征，预测产品性能、改善离心泵部件水力设计的理论 和方法的重要基础，内流场测试一直是流体机械的重要研究领域。 在设计离心叶轮时，保证最终产品在设计点能产生给定理论扬程h ， 是一项基本的要求，由欧拉方程h t = u 2 v u 2 g ( 在大多数的情况下v 。1 = 0 ) 可 知，v u 2 大小直接决定泵的设计，而v u 2 = v c o s ，v = w + u ，其中v 为绝对速 度，w 为相对速度，a 为绝对液流角。因此，以实验的方法研究叶片流道内的 相对速度，确定其相对流线和相对速度分布有重要的理论和实践意义。另外， 它的研究有助于对叶轮内流场的总体认识与了解，帮助发现叶轮的水力损 失、气蚀现象的规律。本研究成果有助于把叶轮设计建立在更可靠的流动基 础上，完善人们对泵内流场流动规律的认识。寻求改善泵内流动及由此决定 的泵的外特性的新途径。 1 3 本文的主要工作 本文所研究的是四川省教育厅自然科学科研项目c 。本研究拟采取的研究方法和试验方案如下：设计一大直径、流道狭 窄的低比转速离心泵，其叶轮、涡壳等以有机玻璃等透明材料制造。以p i v ( 粒子成像测速仪) 在不同转速下测试开口旋转叶轮内的相对速度值( 由于 实验条件，只能测出流道内流体的绝对速度，通过编程处理把它们换算成对 应的相对速度) 。将各种测试值的大小和方向与理论值相比较后，以理论分 5 西华大学硕士研究生学位论文 析方法发现现有计算方法的优缺点。 本研究为实验研究，实验应解决以下问题： 相对速度在叶轮出口圆周上的大小和方向；在同一半径上从叶片背面到 相邻叶片上工作面合成相对速度大小分布。 验证涡壳内流动规律是否与理论相符。 实验项目： 1 、叶轮中的相对速度：在3 个对应转速下f n = 4 0 0 r s 、n = 6 0 0 r s 、 n = 8 0 0 d s ) ，每个转速三个流量( 大流量、设计流量和小流量，其中大流量与 设计流量之比为1 1 6 7 、小流量与设计流量之比为0 7 7 9 ) 和5 个半径上的相 对速度大小和方向。 2 、和流道对应的转速和流量下涡壳内流动大小的规律。 由于在前后盖板之间每个流面流动规律是一致的【7 1 ，因此，本实验只测试 了一个中间流面。 采用m a t l a b 和粒子成像测速仪( p i v ) 系统配套的软件i n s i g h t 和 t e c p l o t 等软件进行数据处理和分析包括速度场的合成以及速度场坏点的 识别和插值，在图像处理中，采用白相关的分析方法。本研究以实验的方法， 通过比较精确的数据定量地分析相对流动的规律，从而使泵的设计建立在更 可靠的流动基础上。 总之，本文的主要工作概括如下： 1 、设计一个试验用的低比转速离心泵，它的基本要求上面已述。 2 、熟悉p 的原理、结构和配套软件的使用。 3 、购买相关的辅助设备，建立实验平台。 4 、离心泵叶轮流道内相对速度以及涡壳内流动的试验研究，用 m a t l a b 编程和p i v 配套的软件分析实验结果。 6 西华大学硕士研究生学位论文 第二章离心泵叶轮内相对速度实验 研究的理论基础 科学最重要的研究方法之一就是实验的方法，用一些相若的实验设备来 测量实际现象的一些量，这是实验中不可缺少的一环，其中速度测量是科学 实验研究中最基本的一个参数测量。实验必须有理论作指导，然后又回到理 论中去检验理论的正确性才能推动科学不断向前发展。 2 1 离心泵叶轮内流体运动分析 水流在叶片流道之间流动，叶轮又绕轴高速旋转，水流的运动是一种复 合运动。水流在叶片间相对于叶轮的流动，或者说站在叶轮上的观察者所看 到的水流运动，是水质点的相对运动；水流相对于静止泵体的流动，或者说 站在泵体上的观察者所看到的水流运动，是水质点的绝对运动；叶轮的定轴 转动是牵连运动。 流面是一张曲面，如果位于此曲面上的所有水质点的速度矢量都与此曲 面相切，该曲面就是一张流面。处于流面上的水质点的速度矢量与流面相切， 因而速度矢量没有与流面正交的分量，水质点不可能穿越流面。叶轮前后盖 板是固态的，运动的水质点显然不可能穿透盖板表面，只能沿固体表面流动， 水流的速度矢量将与这样的表面相切，从而前后盖板内表面就是两张流面。 在这两张流面之闻，还有无穷多张流面。在离心叶轮中，这些流面都是喇叭 面。由于一个水质点只能在一张流面上流动，流面也可以理解为一水质点的 相对运动轨迹绕叶轮轴心线旋转一周的生成面。 在某一时刻，考查叶轮内某一给定水质点。经过这一质点作一平面与流 面相切，如图2 。l 汹。由于水质点的绝对速度矢量v 也位于切平面内。在切 面内，将v 矢量分解为两个速度分矢量：u 矢量与经过质点且圆心在轴心线 上的圆周相切，u 矢量显然是水质点的牵连速度矢量，这一矢量与经过质点 7 西华大学硕士研究生学位论文 的轴面垂直：切面内的另一速度分量w ，在叶片充分稠密时，将与叶片表面 与流面的交线相切，这一速度分矢量即为相对速度矢量。u 与w 都位于质点 所在的切平面内，因而都与流面相切于讨论质点，从而上术喇叭状流面即是 绝对运动流轴面，又是相对运动流面。由矢量合成定理，有： v = u w v 矢量应为以矢量u 和w 为邻边的平行四边形的对角线。为方便，有时 只画出此速度四边形的1 2 ，如图2 - 1 ( b ) ，由此得到的速度三角形。在速度三 角形中，矢量v 和u 的夹角称绝对液流角a ，矢量u 与w 的夹角称相对液 流角b 。与b 是与流面相切的两个速度矢量形成的夹角，因而都与特 定的流面相联系。 ( a ) ，令： 。 ； 、 ， 。 _ r 。 、 z 叠。一j 。，j 芏3 t j 图2 - 1 速度分解及速度三角形 将一个矢量分解为两个分矢量的结果不是唯一的。为分析方便，有时需 要把v 矢量分解成切面内互相垂直的另外两个矢量：v 。是v 在u 上的投影矢 量，v 。则是v 在经过质点的轴面上的投影矢量。轴面与流面的交线称为轴面 流线，v 。位于轴面内又与流面相切，因而在轴面图上必然与轴面流线相切。 后面将会看到，v 。与通过叶轮的理论流量q t 有关，而v 。与叶轮产生的理论 扬程 h 有关，将绝对速度分解为这样两个矢量的意义比较明显。 西华大学碗士研究生学位论文 速度三角形是分析叶轮内流动的重要工具，也是计算叶轮有关尺寸的重 要基础。 2 2 叶片流道内的相对流动 叶轮内水质点的绝对速度矢量是其相对速度矢量和牵连速度矢量的矢 量和，这里要指出，叶片流道间的水流相对于叶轮的相对运动，应视为两个 特殊相对运动的叠加。这两个特殊的相对运动称为均匀流和轴向旋涡流。 2 3 1 均匀流 均匀流指水流在一静止的真实叶轮中的流动，均匀流又叫“过流”。由 于叶轮这时是静止的，因而水流的这种相对流动与绝对流动是等价的。 均匀流有这样的特点：叶轮内同一个圆周上各点水质点的相对速度大小 相等，且其值正比于通过叶轮的流量，相对速度的方向在流面上与叶片方向 一致，见图( 2 - 2 ) ，特别应提及，在流面出口处，均匀流相对速度的液流角 口。2将等于叶片出口安放角b2 。如果一个旋转叶轮的叶片数无穷多且无 穷薄，则水流必须沿叶片表面流动，水流相对速度的方向将与叶片表面相一 致。这一旋转叶轮中的相对流动具有均匀流的一切特点，因此，均匀流也可 视为一叶片无穷薄无穷多的旋转叶轮内的相对流动。均匀流的相对速度矢量 以睨表示。 9 西华大学顼士研究生学位论文 图2 - 2叶轮内的均匀流 2 3 2 轴向旋涡流与斯托道拉计算式 叶片流道间的轴向旋涡流动是由水自身的惯性且粘性不足而引起的。 当叶轮以角速度u 旋转时，这一水体为保持原有方位，将以相同的角速 度在叶片流道内相对于叶轮反向旋转，形成封闭的一条条相对流线。水流在 封闭的叶片流道间的这种大小与叶轮旋转角速度相等的相对于叶轮的旋转 运动，称为轴向旋涡运动。轴向旋涡相对速度以w ，表示。 由于叶轮产生的理论扬程只与叶片进出1 3 处的水流速度分布有关，因此 有必要推导轴向旋涡运动的相对速度沿叶轮出口的圆周速度值w 。在作了 一些合理的假设后，斯托道拉以斯托克斯定理导出了这一值。这些假设是： 1 、流体理想的。理想流体中由于无粘性引起的壁面附近的速度梯度， 叶片流道间的轴向旋涡的旋转角速度将完全等于叶轮本身的旋转角速度。 2 、轴向旋涡流动的相对流线为封闭曲线，其中一条在叶轮出口处与叶 轮外 圆周相重合，从而以w ，2 与这叶轮出1 3 圆周相切，且w ，2 大小沿此圆弧 不变。 图2 - 3 轴向旋涡流在叶轮出口相对速度 1 0 西华大学硕士研究生学位论文 在流面上，过两相邻叶片各自的工作面与背面与叶轮出口圆周的交点 a 、b 作曲线a o 、o b 与轴向旋涡相对流线正交，得到一曲边三角形。如图 2 1 0 。这一三角形中，l b a o 和l a b o 约分别为b2 2 和( n - b2 ) 2 ，从而 l a o b = n b 2 2 f 一b2 ) 2 = n 2 ，即l a o b 为直角。令弧长a b 为t 2 ， 则曲边三角形a o b 的面积f 为 f = i 2 a o o b = 1 2 。t 2 c o s ( 02 2 t 2 ) s i n ( b2 2 ) = 1 4 t 2 2 s i n ( 02 2 ) 由斯托克斯定理，相对旋涡速度沿闭曲线a o b a 的环量应等于旋涡速 度的旋度在三角形o a b 的通量，即 fa o b a w 。d l = fd a o b ( v x w t ) d s ( 2 - 1 ) 式中d l 、d s 分剐表示闭曲线的弧长微分与三角形的面积微分。 ( 2 - 1 ) 式右端的积分等于相对速度矢量在三角形三边上的环量之和，即 f a o b a w 。d l = fa o wr d l + ，o b w 。d l + ，b a w ，d l 由于曲线a o 与o b 与相对流线正交，因而也与曲线上水质点的相对速 度矢量正交，上面第一第二积分均为0 。由假设，在圆弧b a 上相对速度大 小为一常数w r 2 ，矢量与圆弧相切，从而第三个积分成为： jb 羽r d l = w r 25b a d i = w r 2 t 2 ， 由此： fa o b a w r - d l = w r 2 1 t 2 ， 根据矢量分析有关定理，当水流以角速度m 相对于叶轮旋转时，相对速 度的旋度是一常矢量，其大小为2 ( i ) ，方向与曲边三角形正交，从而( 2 1 ) 式右端成为 fa a o b ( v x w r ) d s = 2 ( i ) f 。a a c d f = 2 ( ) t 2 2 s i n ( b 2 2 ) f = 2 u 1 4 t 2 2 s i n ( 2 ) = ( j ) 2 t 2 。s i n ( b2 ) 将有结果代入方程( 2 1 ) ，有 w ，2 t 2 = 2 t 2 2 s i n ( e2 ) 或 w r 2 - - c o 2 t 2 s i n ( e2 ) 叶轮外圆周长为2j i r ：，两个相邻叶片出口对应点之间的弧长是2 1 i r 北，弧长是t 2 显然应为2 r 2v 以，考虑这一关系，得到 西华大学硕士研究生学位论文 w ，2 - - - - 2 t 2 s i n ( b2 ) = ( i ) 2 2 r l r 2 1 l r2 z s i n ( b2 ) = n u 2 1 l r2 s i n f b2 ) z 以上为本实验的理论基础。掌握这些理论知识是本实验分析研究的必备条 件。 1 2 西华大学硕士研究生学位论文 第三章粒子成像测速( p i v ) 系统的基 本原理和结构 3 1p i v 的发展和基本原理 粒子图像测速技术是近十年发展起来的流场测速技术。p w 是p a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t r y 的缩写，可译为“粒子图像测速仪”，广义上讲，凡是在 流体中添加粒子，利用粒子的成像来测量流体速度的方法都称为粒子图像测 速技术。从本质上看，它是从流场显示技术发展出来的。流场显示的主要目 的是将流场的某些特性进行可视化，以便对流场进行直观了解，从而对流体 特性进行全面的研究；在过去，应用染色液、烟气和氢气泡等流动显示技术 来研究流动特性，虽然得到一些有价值的结果，但由于这些方法精度较低， 分辨率也差，因而常用于定性研究。而非光学测量技术如多孑l 探针、旋转探 针、热线热膜风速仪( h w f a ) ； n 涡量探针等的缺点是探针和热膜的介入会扰 动真实流场，使得测量的灵敏度很低。非接触的激光多普勒测速技术( l d v ) 尽管测量精度很高，但它没有突破了单点测量技术的局限性，不能实现了对 整个流场的瞬态测量。近年来，由于激光p 技术的发展，为定量、瞬时、 无接触、高精度测量全场流速( f u l lf l o wf i e l do b s e r v a t i o n m e a s u r e m e n t ) 提供了可能。 图3 - 1 为p l y 系统示意图，其中1 片光装置，2 一多向节，3 双y a 激 光器，4 同步装置，5 计算机，6 - c c d 摄像机。 西华大学硕士研究生学位论文 图3 1p i v 系统示意图 粒子图像测速技术分三步进行：第一步是用双曝光方法摄取流场的粒子 图像；第二步是分析图像并提取速度信息；第三步是显示速度矢量场。它是 流动显示法的新发展，使测量定量化。 目前常用y a g 激光器作光源，激光束经柱面透镜扩展成厚度为l m m 到 几m m 的片光源，再经球面透镜准直，照明流场的待测区域。用c c d 摄像 机将现场对准待测区域，记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像，形成p i v 底片，再用光学杨氏条纹法或粒子图像等方法处理p i v 底片。底片上记录的 是整个待测区域的粒子图像。用计算机图像处理技术先将图像分成许多很小 的区域( 称为查问区) ，然后判定该区域中每个粒子的前后位置，就可确定 粒子的位移和方向。在查问区中图像场包含了大量的小粒子，在这样的场中 是很难甚至不可能依靠直接粒子跟踪去识别正确的图像，此时就要使用二维 自相关或互相关的统计技术。脉冲间隔时间是已知的，由此可得粒子的速度 矢量( 如图3 2 ) 。对此查问区的粒子数据进行统计平均，就得出这个测点的 速度矢量。进一步对所有小区域进行上述判定和统计( 即在查问区内利用互 相关进行统计平均) ，就得出整个二维速度场。 1 4 西华大学硕士研究生学位论文 ， 一- 。 ： ：1 - ! _ 。蚧 。 ：o ! 舒。0 一。 。 一! ：警、l。口l i d ：+ ：- ：、o 口 ! ! 二上：二i 冀一舅，。 ， 一 图3 - 2p i v 原理图 在已知的时间间隔f 内，跟随流体流动的示踪粒子群i 被脉冲激光照射， 粒子的瞬时轨迹以粒子图像的形式曝光记录在底片或c c d 芯片上，如图3 3 所示。第一次曝光( t ) 和第二次曝光( t 2 ) 时刻的某一粒子的空间位置分 别为x f 。和x f ：，对应在图像记录平面的位置分别为x i ，和x f ：，其速度为 二；a x i 。x i 2 - x i l 。兰! ! 二兰! ! a t t 2 一t lm ( t 2 一f 1 ) m 为放大率，即观测流场区域s v ( l v ) 和成像平面s f ( 蝎之比，一般情况 下m ( 1 慧 x 。y t ，：多i _ ，。r 。孙。量j ，? ，一 ：， r 1 i 川：一 一，o，、一 ，二 i、，一 万，一 厂一；一 ，丁 苫 一霉 西华大学硕士研究生学位论文 图3 - 3p i v 原理图 此外，因采用的记录设备不同，又分为f p i v 或简称p i v ( 用胶片作记 录) 和数字式粒子图像测速d p i v ( 用c c d 相机作记录，不需湿处理) 。随 着数字相机( c c d 等) 技术时空分辨力的提高，d p i v 将成为应用的主要方 向。 p i v 技术目前达到的综合测量水平，总体上讲，测速范围己从0 1 c m s 到 几百米每秒，可以在一个切面上测得瞬时3 5 0 0 1 4 4 0 0 个点的速度向量，其 精度约1 ( 个别达到o 2 ) ，与l d v 相当。其物理测量容积也与l d v 相 当，而且特殊处理还可更小。一个切面的数据处理约需几分钟甚至几十秒钟。 同时，p 速度场的测量技术，从早期的一个流动切面的瞬时二锥速度 场测量，逐步发展了一个流动切面的瞬时二维速度场时间历程测量，一个流 动切面的瞬时三维速度场及其时间历程测量( 如s p i v ) ，一个流动空间的瞬 时三维速度场测量( h p w ) 以及正在攻克一个流动空间的瞬时三维速度场时 间历程的测量。 此外，p i v 技术已日益广泛应用于非定常复杂流动研究中，揭示了不少用传 统测试技术和平均测量技术无法观测到的许多流动的瞬时结构现象。 上述过程不可能依靠手工进行。只有在计算机图像处理技术得到迅速发 展的今天，才使这一关键问题得以解决，从而使粒子图像测量技术发展成实 用的仪器。最后一步是将已有的速度矢量场利用计算机软件绘成流场图。 图( 3 - 4 ) 为p i v 系统的实物图。 1 6 西华大学硕士研究生学位论文 图3 4p 1 v 实物装置图。 本实验用的p w 系统是一套基于高性能跨帧c c d 的数字式p i v 系统， 采用s c h e i m p f l u g 成像方式，具有外触发功能，采用双腔脉冲n d ：y a g 激光器作为光源，可见光波长为5 3 2 n m ，激光的功率为2 0 0 m j 左右，其脉冲 间隔和和重复频率均可改变。它的摄像速度每秒3 0 帧，激光功率1 0 0 m j p u l s e ， 不仅能进行二维测量，还能进行空间测量，测速范围0 8 0 0 m s ，分辩率为 l m m 左右。 3 2p l v 系统的基本构成和方法 p i v 技术无疑将成为新一代流体力学观测仪器，将进一步标准化和实用 化，基本构成主要有硬件系统和软件系统组成，其中硬件系统又包括激光光 源系统、图像采集处理系统和同步控制系统、粒子图像的记录装置、粒子图 像的处理判读方法和设备。 3 2 1 光源系统 为照明流场一个端面，需将激光光束经扩柬镜、聚焦镜等组成透镜组形 成具有一定厚度( o 1 m m 至几毫米) 的均匀和足够光强的激光片光，使该断 1 7 西华大学硕士研究生学位论文 面内的粒子被照亮。由于要确定粒子的位移，该照射光需为脉冲激光和供多 次曝光( 一般两次) 记录的多脉冲激光光源。 典型的采用双y a g 脉冲激光器组系统，如图( 3 5 ) 。经由s t a n f o r d 延时 器精确控制，窄脉宽( 5 8 n s ) 的两个光脉冲的时间间隔可从2 0 0 n s 至几秒任 意调节，其延时的精度达纳秒级，可以使用于很大的速度范围，由几毫米秒 至1 0 0 0 米秒。所需的激光器的功率或单位脉冲能量的大小取决于观测流场的 大小，粒子的大小，流动速度，感光的底片或c c d 器件的灵敏度等。一般用 途的单位脉冲能量为6 0 2 5 0 m j f 波长= 5 3 2 n m ) 。 由于脉冲激光器瞬时功率非常高，如t = 5 n m ，e = 2 5 0 m j ，瞬时功率可达 5 x 1 0 0 0 0 0 0 0 w ，所用的透镜均需镀膜，不能采用一般凸柱透镜作扩束镜，否则 会在聚焦点产生电火花，必需采用凹柱透镜作扩束镜，需采用不伺于一般用于 流动显示的扩速透镜系统。 图3 - 5 双y a g 脉冲激光器组系统 3 2 2 粒子图像记录装置 将多次曝光韵粒子位移场的信息记录下来，通常采用照相机照相记录在 底片( 可称底片p i v 或f p i v ) ，或采用c c d 相机，直接由c c d 光电转换芯 片将粒子图像转换成数字信息输入计算机，现称数字式p i v 或d p i v 。 西华大学硕士研究生学位论文 早期p 底片大多采用照相底片做记录，因可以充分利用已有设备， 各类相机都可以采用，从1 3 5 ( 3 5 m m x2 5 m m ) 至1 2 0 ( 7 0 m m 9 0 m m ) 各种 大小不同，感光度不同和分辨力不同的底片都曾用过。原则上来说，底片的 尺寸越大，取得实际的空间流场的分辨力越高，取得的每幅向量速度场的速 度向量树越多：底片一般采用黑白胶片，其感光灵敏度越高( 一般采用 i s 0 1 0 0 1 6 0 0 ，以2 0 0 - , 4 0 0 为多) ，对激光光源的光脉冲能量要求可以降低： 底片的空间分辨力一般不允许太低，底片冲洗的颗粒应细于曝光的粒子像， 否则会增加背景噪声。后两者常常是矛盾的，感光灵敏度高的底片往往其空 间分辨力会降低，需要根据实际情况选择合适的底片。显然用照相底片的最 大缺点是需经湿处理，不能实时了解粒子图像记录的结果，因为从发展趋势 将被c c d 相机取代。目前用c c d 相机的空间分辨力尚低于照相底片，在某 些场合下仍需采用宽幅照相底片。 目前c c d 相机发展较快，空间分辨力又5 1 2 x 5 1 2 像素到4 9 0 6 x 4 9 0 6 像 素均有应用，目前以1 0 2 4 x 1 0 2 4 像素，帧速3 0 帧秒的为多。相应需配置数 据转换和传输率大于2 0 4 0 m b s 的图像卡和相应的计算速率，以能实时记 录粒子的图像， 以上照相底片和普通c c d 相机都只能将多次曝光( 2 3 次) 的粒子图像 记录在同一幅底片或同一帧c c d 图上。因面在处理图像数据只能用自相关 法，不能自动判别速度方向。目前已有专用的称谓跨帧c c d 相机，可以将 两次曝光的粒子图像分别记录在两帧图像上，可以用互相关法处理数据。 跨帧相机与普通相机不同是采用了特殊的c c d 芯片，该芯片除有一般芯 片的光电转换阵列和采用传输功能外，此芯片附有作快速缓存的存储器，对 应每一个象元都有一个存储单元。当第一帧光脉冲曝光后，第一帧光电信号 立即存储到存储器上，尽管还来不及作a d 转换和数据传输到计算机去， c c d 器件的芯片即可接受第二个光脉冲的曝光( 第二帧图像) 。由此不但实 现了二次光脉冲曝光分别记录在相继的二帧强像上，并且保证了而次光脉冲 的时间延时( t ) 可以调整，与脉冲激光器组成系统同步工作。目前t 的 最短时间尚受信号从光电转换单元传输到存储单元的速度限制。目前水平的 1 9 西华大学硕士研究生学位论文 跨帧相机( 具有双曝光功能) 的允许的最小时延t 约为2 0 0 n s - 2 0 m s ，时延t 越小，可测的最高速度越大。 3 2 3 粒子图像的判读 p i v 成像系统提供了在已知时间间隔a t 内流场中粒子群的位移信息记 录，提取粒子位移信息尽管在原理上很简单，但由于信息十分巨大，如果用人 工来提取和判读的话，将成为十分繁重的困扰的工作，自动判读系统的出现， 使该项技术成为现实。 根据粒子图像的记录，将图像分割成许多小区，每一小区称判读小区 ( i n t e r r o g a t i n gs p o t ) 即查问区，对应流场的某一容积( 代表流场中空间的有 一定大小的点) ，求取该判读小区内粒子群的平均位移的大小和方向，依次判 读每个小区的粒子图像，从而取得全流场的位移向量场，可称为粒子图像的 判读。 粒子图像数浓度n 1 由下式确定 n 1 z n a z o 尉? 4 m 2 式中n 为单位容积内的粒子数浓度；a z o 为激光片光的厚度：d 1 判读 小区( 即判读光束直径，i n t e r r o g a t i n gs p o t ) ；m 为放大率。 粒子图象判读的方法主要有光学杨氏条纹法( 早期使用，原理最简 单) 、自相关法和互相关法等。本实验采用自相关法。 3 3 p i v 系统配套的软件介绍 p i v 系统能够实现实时的采集以及计算相应的速度场( 图像采集速率最 高可达3 0 幅秒，速度场计算时间约为几秒钟) ，再进行相应的数学计算出流 场的等速度线、流线等流场特性参数。整个图像采集分析系统通过控制软件 集成一体，控制软件提供稳定可靠而且全面的图像采集、显示和分析计算功 西华太学硕士研究生学位论文 能，下面介绍与p i v 系统配套的软件i n s i g h t 软件。 3 3 1i n s i g h t 软件特点 i n s i g h t 软件是p i v 系统装置作数据采集、分析和显示等任务的专用工 具。它具有若干独特的优点，其中包括：u l t r a 高分辨率相关处理、w i n d o w s n t , 多处理器、多任务运行、在线图象显示、能够按照规格改制和最佳选配 不同的实验装置、为启动其他装置用的触发器、在最大摄象速度时的在线图 象存储、批处理方式数据收集和处理等。 图3 - 6i n s i g h t 软件界面 3 3 2 利用i n s i g h t 软件获得和处理图像 i n s i g h t 软件具有很强大的功能，下面介绍如何捕获和处理图像。 1 、选择要捕获的图像的数据源( c a m e r a 、d u a lc a m e r a 、l e f tc a m e r ar i g h t c a m e r a 、a r c h i v e ) 。 2 1 西华大学硕士研究生学位论文 图3 7选择图像 2 、设置曝光和捕获图像的模式( f r e e 、t r i g g e r e d 、f r a m es t r a d d l es i n g l e 、 c o n t i n u o u s 、s e q u e n c e ) 。 3 、设置激光曝光的时间和能量强度。 4 、在系统控制工具栏单击b e g i ni m a g e a c q u i s i t i o n ，开始获取图像。 5 、获取图像后按s t o po p e r a t i o n 停止曝光。 6 、设置处理图像的参数( i m a g es h i f t f l o wd i r e c t i o n s p o to f f s e t 、s i g n a l l e v e l s 、p e a ks e a r c h c o r r e l a t i o na 1 9 0 r i t h m s 、v e l o c i t yc a l i b r a t i o n 、 g r i ds e t u p ) 。 图3 - 8 为i m a g es h i f t f l o wd i r e c t i o n s p o to f f s e t 的参数设定窗口，在f l o w d i r e c t i o n 中，通过上、下、左、右来确定实验中流体的流动方向。在s p o t o f f s e t 中，输入具体的数值来设置第二个流动显示窗口，它仅在互相关查询中使用。 为了获得流体的速度方向，需要在i m a g e s h i f t 编辑栏中输入数值。 西华大学硕士研究生学位论文 图3 - 8 p r o c e s s s e t u p 设定窗口 图3 9 为网格参数设定窗口，通过确定查询区域来实现自相关或互相关计算。 西华大学硕士研究生学位论文 图3 - 9p r o c e s s s e t u p 设定窗口 7 、选择处理图像的模式。 8 、选择矢量显示模式( d y n a m i cd is p l a y 、p o s tp r o c e s sd i s p l a y 、r e d u c e t h en u m b e ro fd i s p l a y e d2 - dv e c t o r s ) 。 g 、处理单个或几幅连续的图像( a 1 1 、s in g l e ) 。 3 3 3 利用软件控制测试过程中有关参数的设置 1 、确定p i v 系统的各个组成部件。 在实验菜单中选择组件设置，就会出现如下对话框，在该对话框中左键 单击s u m m a r y 选项，就可以看到已经配置的相机，激光器，同步器，c c d 等部件。若全部选择正确，即可点击o k ，这样所有的设置就保存到软件中。 图3 - 1 0 设备组件参数设置 2 、同步器的使用和参数的设置 在实验菜单条中选择组件建立并单击同步器设置。同步器设置对话框如 西华大学硕士研究生学位论文 下图。安装所有参数的按钮可以选择所有的与同步器有关的软件选项。通 常情况下，这个按钮的选项默认即可。任何改动的参数设置都会自动的传输 到同步器。因此，这个按钮主要是用来确认参数设置能够控制同步器的。 图3 1 1 同步器参数设置 选择系统中每个部件的极性。同步器与系统中的其它部件是通过t t l 电路进行通信的。t t l 信号包括“+ ”、“一”两种。每个部件都有极性控制选 择，当联入系统时，如果应用外部触发器来控制，就需要设置极性参数。 选择时，同步器将等待外部输入触发激光；不选择时，激光将按照设定 的脉冲间隔进行触发。 3 、相机参数的设置 i n s i g l l t 软件可以与专用相机一起使用。相机型号的选择是由所安装软 件来指定的。一旦相机确定好，它的一些控制参数也只能按照软件的默认来 设置。 在实验菜单栏中，选择组件设置并点中相机设置，就会出现下图所示的 西华大学硕士研究生学位论文 对话框。 图3 - 1 2 相机参数设置 西华大学硕士研究生学位论文 第四章离心叶轮内相对速度 的实验研究 4 1 本实验试验泵的设计 根据实验要求和p 系统激光片光源的强度，综合四川大学国家高速水 洞实验室激光测量所进行调研结果设计出一大直径、流道狭窄的低比转速离 心泵，其叶轮、涡壳等以有机玻璃等透明材料制造。 4 1 1 叶轮的设计 1 、设计参数重要公式：( 以下公式中，u ：叶轮旋转角速度，r 2 ：叶轮外圆 周半径，1 l ，2 ：排挤系数，b2 ：叶片安放角，b 2