（流体机械及工程专业论文）离心泵内流场piv测试中示踪粒子跟随性的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：鸯巫碗k 抄1 1 年月l 尹日 够咱 麴叫 轹阵 登州 师孔 教导指 离心泵内流场p i v 测试中示踪粒子 跟随性的研究 r e s e a r c ho nt h ef l o w i n gf e a t u r e so ft r a c e rp a r t i c l e s i nt h ef l o wf i e l do f c e n t r i f u g a lp u m p sb yp i v 姓 2 0 1 1 年0 6 月 分布等问题的最 心泵内应用的特 殊要求，目前离心泵内应用p 测量还存在许多关键技术有待解决。p 测量的基 本原理就是利用示踪粒子的速度来间接地反映流体的速度，因此示踪粒子的跟随 性直接决定了试验的测量精度。由于离心泵是一种旋转机械，粒子在泵内运动将 受到旋转因素的影响，这种旋转因素严重影响粒子的跟随特性。现有的理论和试 验研究都是讨论一般的紊流场中粒子的跟随性，并没有考虑到旋转特性，因此有 必要建立离心泵内示踪粒子跟随性的计算方程，选取合适的示踪粒子，减小由于 粒子的跟随性而引起的p 测量误差。本文就离心泵内流场p w 澳i 试中示踪粒子的 跟随性进行了较深入的研究，主要的研究工作和创新点有： ( 1 ) 基于离心泵内固液两相流理论，对离心泵内部湍流场中的示踪粒子进行受 力分析，建立了示踪粒子的受力模型。根据粒子在离心泵内运动特点简化受力模 型，推导了低雷诺数下粒子在离心泵内l a g r a n g e 运动方程。采用谱分析方法，利用 f o u r i e r 积分首次推导了适用于离心泵内示踪粒子跟随性的计算公式，并分别建立 了离心泵内定常和非定常流场中示踪粒子跟随性的数学表达式。 ( 2 ) 利用推导的低雷诺数下示踪粒子在离心泵叶轮内的跟随性计算公式对粒子 的跟随程度进行了数值计算，讨论了粒子跟随性对粒子的物理特性和离心泵内流 场的依赖关系。并在现有几种模型基础上对比讨论了各项力对粒子跟随性的贡献， 指出了各模型的优缺点。通过对各因素的计算分析发现：密度接近流体的密度的 中性悬浮粒子跟随性较好；对于密度较大的粒子只有粒子直径足够小才能跟随到 一定范围内湍流频率的流动；粒子径向跟随性比周向复杂得多；在离心泵叶片压 力面中部以及压力面出口区域粒子跟随性较差；离心泵叶轮旋转引起的离心力和 科氏力以及流道弯曲产生的离心力对粒子跟随性影响很大。 ( 3 ) 对离心泵内清水流场采用r n gk - e 模型来封闭求解雷诺时均n s 方程，然 后用有限体积以及s i m p l e c 算法数值求解方程组。对清水流场模拟计算所预测的 离心泵性能曲线与试验性能曲线对比，验证清水流场计算的准确性。然后在得到 的清水流场计算基础上，采用l a g r a n g e 方法分别计算不同密度、不同直径的粒子 离心泵内流场p i v 测试中示踪粒子跟随性的研究 在离心泵设计工况和非设计工况下的运动轨迹，给出了示踪粒子运动的直观表示， 研究了离心泵内示踪粒子的运动规律。数值模拟结果发现：粒子的密度和直径对 粒子的轨迹有重要影响，其中粒子密度与流体密度相等是一个重要的界点；在叶 片压力面出口粒子轨迹差别很大；粒子轨迹在进口直管内几乎不发生分离，而在 半螺旋型吸水室、叶轮和蜗壳内发生分离；在出现漩涡等不稳定流动的流道内， 密度与流体的密度接近并且直径小的粒子其轨迹线与流体的流线接近。 ( 4 ) 搭建了离心泵专用p i v 测试试验台，在满足p 测试要求的模型泵内部流场 中，利用p i v 技术测量了三种不同物理性质的示踪粒子在离心泵叶轮内的绝对速 度；利用v c + + 程序对测量的绝对速度进行处理，得到离心泵内四种工况下三种粒 子的时均相对速度分布；定性分析了粒子的p i v 测试效果；定量分析了粒子在离心 泵不同工况下、叶轮内不同直径处的相对速度大小，对比了粒子之间的速度差异， 讨论了其跟随程度。分析结果表明：小直径的空心玻璃球可以捕捉到高速区，大 密度的铝粉对速度变化响应过慢，大直径的空心玻璃球拍摄效果最佳。 i i 关键词：跟随性示踪粒子离心泵p w 因素分析d p m 江苏大学硕士学位毕业论文 p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r yi so n eo ft h em o s ta d v a n c e dm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e st o i n v e s t i g a t et h ef l o wf i e l d so fc e n t r i f u g a lp u m p s a st h ec o m p l e x i t yo f f l o wp h e n o m e n o n i i lt h ep u m pa n dt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so ft h ep a p p l i c a t i o ni nt h ec e n t r i f u g a lp u m p ， t h e r ea t es t i l ls o m ek e yt e c h n o l o g i e sa b o u tt h ep i va p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fc e n t r i f u g a l p u m p st ob er e s o l v e d t 1 1 eb a s i cp r i n c i p l eo fp i vm e a s u r e m e n ti s t h a tt h et r a c e r p a r t i c l e sv e l o c i t yi n d i r e c t l yr e f l e c t st h er a t eo ff l u i dv e l o c i t y , s ot h ef o l l o w i n gf e ；r a t u r e s o ft r a c e rp a r t i c l e si sd i r e c t l yd e t e r m i n e st h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y b a c a u s et h e c e n t r i f u g a lp u m pi sa k i n do fr o t a t i n gm a c h i n e r y , t h ep a r t i c l em o t i o ni nt h ep u m pw i l lb e e f f e c t t e db yt h ei m p e l l e r r o t a t i n g a n dt h er o t a t i n gf a c t o r s e r i o u s l y a f f e c tt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a c e rp a r t i c l e sf o l l o w i n gf e a t u r e t h ec u r r e n tt h e o r ys t u d yi st h e g e n e r a lt u r b u l e n tf l o wf i e l d sa n dd i dn o tt a k ei n t oa c c o u n tt h er o t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s n e r e f o r e i ti sn e c e s s a r yt ob u i l dat r a c e rp a r t i c l e sf o l l o w i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lf o r c e n t r i f u g a lp u m p sa n ds e l e c ta p p r o p r i a t et r a c e rp a r t i c l e st or e d u c et h ep i v m e a s u r e m e n t e r r o rc a u s e db yt h ef o l l o w i n gf e a t u r eo ft h et r a c e rp a r t i c l e s i nt h i sp a p e r , a l li n d e p t h s t u d ya b o u tt h ef o l l o w i n gf e a t u r eo ft r a c e rp a r t i c l e si nt h ec e n t r i f u g a lp u m p i sc a r d e d o u t t h em a i nw o r ka n dt h ea c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ep r e s e n tp a r t i c l e 1 i q u i dt w o p h a s et u r b u l e n tf l o wt h e o r y , t h ef o r c e s a c t i n go nt h et r a c e ri nt h et u r b u l e n tf i e l do fc e n t r i f u g a lp u m p sw a sa n a l y z e da n dt h e p a r t i c l ef o r c em o d e lw a sb u i l t a c c o r d i n gt ot h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i c l e si nt h e c e n t r i f u g a lp u m p ，t h ef o r c em o d e lw a ss i m p l i f i e da n dp a r t i c l e s e q u a t i o no fl a g r a n g e m o t i o nf o rl o wr e y n o l d sn u m b e rw a sd e r i v e d u s i n gs p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o d ，t h e f o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h ef o l l o w i n gb e h a v i o r so ft h et r a c e rp a r t i c l ei nt h ec e n t r i f u g a l p u m pw a sd e d u c e df i r s t l yt h r o u g hf o u r i e ri n t e g r a lt r a n s f o r m a t i o n t h et r a c e rp a r t i c l e s f o l l o w i n gm a t h e m a t i c a lf o r m u l a t i o n si nr e s p o n s et ot h es t e a d ya n du n s t e a d yf l o wf i e l d s o fc e n t r i f u g a lp u m p sw e r eg i v e ns e p a r a t e l y 2 u s i n gt h et r a c e rp a r t i c l e sf o l l o w i n gm a t h e m a t i c a lf o r m u l a t i o n s ，t h er a t eo ft h e f o l l o w i n gf e a t u r e so ft r a c e rp a r t i c l e sw e r ei n v e s t i g a t e dn u m e r i c a l l y n et w oa s p e c t so f i n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h er e l a t i v em o t i o nb e t w e e nt r a c e rp a r t i c l e sa n dl i q u i dm e d i u m w e r ed i s c u s s e d b a s e do ns e v e r a lk i n d so fc o m p u t a t i o nm o d e l ，t h ee f f e c t so fe a c hf o r c e o nt h ef l o wf o l l o w i n gb e h a v i o u r sw e r ec o m p a r a t i v e l ys t u d i e d ，a n dt h e nt h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hm o d e lw e r ep o i n t e do u t t h r o u g hc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so f v a r i o u sf a c t o r s t l l er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h en e u t r a ls u s p e n d e dp a r t i c l e sw i t ht h es a m e d e n s i t ya sf l u i dh a dg o o da b i l i t yt of o l l o wt h ef l u i dm o n t i o n n el a r g e rd e n s i t yp a r t i c l e s o n l yw i t hs m a l l e rd i a m e t e rc o u l df o l l o wac e r t a i nf r e q u e n c yr a n g eo ft u r b u l e n tf l o w t h er a d i a lf o l l o w i n gf e a t u r ew a sm o r ec o m p l e xt h a nt h ec i r c u m f e r e n t i a lo n e n e 1 1 1 离心泵内流场p i v 测试中示踪粒子跟随性的研究 f o l l o w i n gf e a t u r eo f t r a c e rp a r t i c l e sw a sb a da tt h ec e n t r a la n do u t l e to fp r e s s u r es u r f a c e t h ec o r i o l i sf o r c ea n dt h ec e n t r i f u g a lf o r c ec a u s e db yr o t a t i n gi m p e l l e rs t r o n g l y i n f l u e n c e dt h ef o l l o w i n gf e a t u r eo ft r a c e rp a r t i c l e s ，a l s oi n c l u d i n gt h ec e n t r i f u g a lf o r c e c a u s e db yt h ei m p e l l e rc u r v e dc h a n n e l 3 t h er e y o n l d s - a v e r a g e dn a v i e r s t o k e se q u a t i o n sc l o s e db yt h et w o e q u a t i o n r n gk - et u r b u l e n c em o d e lw e r es o l v e d t h es i m p l e cp r e s s u r e - c o r r e c t i o nt e c h n i q u e o nan o n s t a g g e r e dg i r da r r a n g e m e n tw a s e m p l o y e d t h e nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n so f t h e3 dv i s c o u st u r b u l e n tf l o ww e r ec a r r i e do u t t h ep u m pp e r f o r m a n c ec u r v e sw e r e s i m u l a t e dt oc h e c kt h ec a l c u l a t i o na c c u r a c yt h r o u g hc o m p a r i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t a l p e r f o r m a n c ec u r v e b a s e do nt h er e s u l t so ff l o wf i e l d s ，d i f f e r e n td e n s i t ya n dd i a m e t e ro f t h ep a r t i c l e s t r a c k si nv a r i o u sc o n d i t i o n sa r ea c h i e v e db yu s i n gl a g r a n g em e t h o d q u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h ei m p a c to nt h et r a c kb yt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h et r a c e r p a r t i c l e s a tt h e d e s i g nc o n d i t i o n ，i tw i l lb eh e l p f u lt o u n d e r s t a n dt h ef o l l o w i n g p e r f o r m a n c ei nt h ec e n t r i f u g a lp u m p s a tt h es a m et i m e ，t h ei m p a c to nt h et r a c ki nt h e v o r t e xf l o wa tt h eu n s t a b l ec o n d i t i o nw a sa n a l y z e d ，t o o n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w e dt h a t ：t h ed e n s i t ya n dt h ed i a m e t e ro ft r a c e rp a r t i c l e ss t r o n g l yi n f l u e n c e dt h e p a r t i c l et r a j e c t o r i ei nt h ec e n t r i f u g a lp u m p i tw a sv e r yi m p o r t a n tw h e nt h ep a r t i c l e d e n s i t yi se q u a lt ot h ed e n s i t yo ff l u i d t h ep a r t i c l e st r a j e c t o r i e sv a r i e dw i d e l ya tt h e o u t l e to f p r e s s u r es u r f a c eo ft h ec e n t r i f u g a lp u m p t h ep a r t i c l e st r a j e c t o r i e sw e r ea l m o s t n os e p a r a t i o ni nt h es t r a i g h ti m p o r tp i p e ，b u tv a r i e di nt h es e m i - s p i r a ls u c t i o nc h a m b e r , i m p e l l e ra n dv o l u t e i nt h ec h a n n e lw i t hu n s t a b l ef l o ws u c ha st h ev o r t e xf l o w , t h e p a r t i c l et r a j e c t o r yl i n ew a sc l o s e dt ot h ef l u i df l o wl i n ew h e nt h et r a c e rp a r t i c l ew i t h s m a l l e rd i a m e t e ra n dt h es a m ed e n s i t ya st h ef l u i dd e n s i t y 4 a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lr e q u i r e m e n t sf o rc e n t r i f u g a lp u m pp m e a s u r e m e n t a p t e s t i n gp l a t f o r mw a se s t a b l i s h e dt om e a s u r et h et h r e ek i n d so ft r a c e rp a r t i c l e s i n s t a n t a n e o u sv e l o c i t yi nt h ec e n t r i f u g a lp u m pu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s t h e m e a s u r e da b s o l u t ev e l o c i t yf i e l d sw e r et r a n s f e r r e dt or e l a t i v ev e l o c i t yf i e l d sb ys p e c i a l l y d e v e l o p e dc o d e q u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft e s tr e s u l t sb yp i vw i t hd i f f e r e n tt r a c e rp a r t i c l e s a n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ed i f f e r e n c eo ft h ep a r t i c l er e l a t i v ev e l o c i t ya td i f f e r e n t i m p e l l e rd i a m e t e r su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h e nt h ee x t e n to fd i f f e r e n tp a r t i c l e s f o l l o w i n gw a sd i s c u s s e d i tw a sf o u n dt h a t ：s m a l l d i a m e t e rh o l l o wg l a s sb a l lc a l lc a p t u r e h i g h - s p e e da r e a ；l a r g ed e n s i t yo fa l u m i n u mi st o os l o wt or e s p o n dt ot h ec h a n g eo f s p e e d ；l a r g e - d i a m e t e rh o l l o wg l a s sb a l lg e tt h eb e s tt e s tr e s u l t k e y w o r d s ：f o l l o w i n gb e h a v i o r s ；t r a c e rp a r t i c l e s ；c e n t r i f u g a lp u m p ；p i v ；i n f l u e n t i a l f a c t o r sa n a l y s i s ；d p m i v 1 2 离心泵内部流动p i v 测试研究进展3 1 2 1 国内外研究现状3 1 2 2 存在的主要问题7 1 3 本文主要研究内容8 第二章p i v 测试中示踪粒子跟随性研究进展与基本理论1 0 2 1 示踪粒子跟随性研究进展1 0 2 2 粒子运动的描述方法1 1 2 3 湍流场中示踪粒子的跟随性1 2 2 3 1 示踪粒子的上浮或沉降速度1 2 2 3 2 示踪粒子的响应时间1 2 2 3 3 示踪粒子的频率响应1 3 2 3 4b b o 运动方程1 4 2 4 湍流场中粒子跟随性的判别方法1 4 2 5 本章小结。1 5 第三章离心泵内示踪粒子跟随性模型的建立。1 6 3 1 离心泵内示踪粒子的运动方程1 6 3 1 1 示踪粒子的受力分析1 6 3 1 2 示踪粒子的受力模型简化1 9 3 1 3 示踪粒子运动的l a g a r a n g e 方程建立。2 0 3 2 离心泵内示踪粒子跟随性问题的解2 1 3 2 1 离心泵内非定常流场中示踪粒子跟随性求解2 1 3 2 2 离心泵内定常流场中示踪粒子跟随性求解2 4 3 3 本章小结2 6 v 离心泵内流场p i v 测试中示踪粒子跟随性的研究 第四章离心泵内示踪粒子跟随性的影响因素分析。2 8 4 1 示踪粒子性质对跟随性的影响2 8 4 1 1 示踪粒子密度对跟随性的影响2 8 4 1 2 示踪粒子直径对跟随性的影响2 9 4 2 离心泵内流场对示踪粒子跟随性的影响3 1 4 2 1 湍流频率对示踪粒子跟随性的影响3 1 4 2 2 不同工况同一位置处示踪粒子的跟随性3 1 4 2 3 同一工况不同位置处示踪粒子的跟随性3 3 4 3 各项力对粒子跟随性的贡献3 5 4 4 本章小结一3 6 第五章离心泵内示踪粒子运动轨迹的数值模拟与分析3 8 5 1 基于d p m 模型对离心泵内示踪粒子轨迹的数值模拟。3 8 5 1 1d p m 模型的使用限制。3 8 5 1 2d p m 模型及其基本方程。3 8 5 1 3 离心泵的基本参数3 9 5 1 4 离心泵的三维造型及网格划分4 1 5 1 5 离心泵内部流场的数值模拟设置4 1 5 1 6 离心泵内部流场的数值计算与试验性能曲线的比较4 2 5 1 7 基于d p m 模型的示踪粒子运动轨迹的数值模拟设置4 3 5 2 基于d p m 模型对离心泵内示踪粒子轨迹的计算结果分析。4 4 5 2 1 示踪粒子的密度对轨迹的影响4 4 5 2 2 示踪粒子的直径对轨迹的影响4 5 5 2 3 不同施放位置的讨论4 6 5 2 4 对不稳定工况的讨论4 8 5 3 本章小结5 0 第六章采用不同示踪粒子的离心泵内流场的p i v 试验研究5 1 6 1 试验装置与测试系统。5 1 6 1 1 离心泵p i v 测试试验装置5 1 v i 5 2 5 3 5 6 5 7 6 4 试验结果与分析5 8 6 4 1 不同工况下相对速度云图对比分析5 8 6 4 2 不同工况下不同直径处相对速度大小对比分析6 3 6 5 本章小结6 7 第七章总结与展望。6 9 7 1 研究结论6 9 7 2 研究展望7 0 参考文献。 致谢 7 2 7 7 攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的相关论文7 8 v 江苏大学硕士学位毕业论文 第一章绪论 离心泵内部流动是一种复杂的旋转流动，如何认识这种流动一直是离心泵领域 研究的热点和难点。国内外研究离心泵内部流场的方法主要有理论研究、数值模 拟计算和试验研究，其中试验研究是最基本和最值得信赖的方法。目前应用在试 验中的流动测量技术有很多，而粒子图像测试技术( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ，简 称e w ) 是应用在离心泵内最为先进的技术之一。 1 1 离心泵内流场p i v 测试技术 p i v 测速技术是上世纪7 0 年代末由固体力学散斑法发展起来的，先后经历三 个主要的发展阶段：1 9 9 4 年第一代自相关模式p i v 、1 9 9 6 年第二代互相关模式p i v 和1 9 9 9 年高分辨率、高处理速度的立体p i v l l l 。目前的p i v 测试技术已经充分吸 收现代计算机技术、光学技术以及图像分析技术的研究成果而不断发展壮大，不 仅能得到流场的全局性认识，而且具备很高的测量精度。 在离心泵内流场测试中引进p i v 技术主要优势表现在：p i v 技术是一种非接触 式测量技术，可以不干扰离心泵内流场进行测量；它能显示离心泵内流场的整体 结构和瞬态图像，可以得到离心泵内流场全局性的定性认识；它具有很高的测量 精度和分辨率，可以获得精确的定量结果；它的速度测量范围也很宽，以双y a g 脉冲激光源为光源组成的p i v 系统为例，其测速范围在0 0 1 1 2 0 0 m s 之间，足以 适应一般离心泵内流场研究的需要。 离心泵内流场p i v 测试的基本原理是：在离心泵内流场中添加适当浓度的示踪 粒子，然后脉冲式激光片光束经过柱面镜和球面镜后形成很薄的片光源( 约l m m 厚) 入射到所测试流场区域中，在缸时间内垂直于片光源的c c d 相机连续两次曝光， 粒子图像被记录在底片上或c c d 相机上，两张不同图像中就可辨识粒子的位移信 息，然后采用光学杨氏条纹法、自相关法或互相关分析法等速度计算方法，逐点 处理p i v 底片或c c d 记录的图像，获得离心泵内流场的速度分布。 典型的离心泵内流场p i v 测试系统如图1 - 1 所示。主要由研究的对象离心泵模 型、反映流场流动的示踪粒子和p i v 系统组成，其中p i v 系统又包括成像系统、分 析显示系统和同步控制系统等【2 - 7 1 。 离心泵内流场p i v 测试中示踪粒子跟随性的研究 ( 1 研究对象离心泵模型 要成功测量到离心泵内流场就需要对离心泵结构进行改进以适应p i v 测试的 光路要求，另一方面考虑到离心泵内部流动的极其复杂性，因此有必要对离心泵 的流道结构做一定的简化。而实际上当满足上述要求以及受加工条件的限制，模 型泵的水力性能不能达到实型泵的水力性能，因此完全意义上的实型泵p w 测试 还有一定的困难和很多问题有待解决f 7 一。 ( 2 ) 反映流场流动的示踪粒子 选择合适的示踪粒子是p i v 钡i j 试中非常关键的问题。通常在离心泵内流场p i v 测量中大都采用固体示踪粒子，这些粒子除了满足无毒、无腐蚀、化学性质稳定 等一般要求外，还要满足流动跟随性、散射特性以及在流体中的浓度分布三方面 要求。针对不同流场，示踪粒子的选取就会不同，一般示踪粒子的选取原则为： 粒子的密度尽量接近所测流体的密度；在测试系统光学设备可辨识的条件下，选 用粒子的粒度尽量小1 9 1 。 ( 3 ) p i v 系统 1 1 成像系统 p 的成像系统是由双脉冲激光器、片光源镜头组和c c d 相机构成。用于照射 动态微粒场的片光源由脉冲激光通过透镜形成，拍摄粒子场照片的相机垂直于片 光。曝光脉冲要尽可能的短，曝光间隔a t f l 皂够随流场速度及其分辨率的不同而进行 调节，一般为微秒至毫秒量级。片光要尽可能的薄，一般在l m m 以下。为了把有 限的光能量都用于曝光，p w 系统一般采用双脉冲激光器作为光源阴。 劲分析显示系统 分析显示系统用于图像信息的处理和速度场的显示，它首先将粒子图像分成若 干查问区，在查询光束的作用下，利用杨氏条纹法或相关法逐个处理查问区，得 到粒子的移动速度，进而得到速度场分布。 3 、l 同步控制系统 同步控制系统( 同步器) 是整个p w 系统的控制中心，用于图像的捕捉和激光脉 冲的时序控制。在同步器上可设置激光的工作方式( 双脉冲) 、c c d 的工作方式、脉 冲的延迟时间和双脉冲的时间间隔等。系统工作时，是由与电机同轴旋转的光电 编码器每一转产生- - # b 触发脉冲，经相机触发延迟时间( c a m e r at r i g g e rd e l a yt i m e ) 2 江苏大学硕士学位毕业论文 后，同步器t t 嘲机触发( s y n c h r o n i z e rt i l c a m e r at d g g e r ) ，且发出c c d 的帧同步器 信号( c a m e r as t r o b eo u t ) ，同步器通过捕捉c c d 的脉冲信号时，然后根据所设定的脉 冲延迟时f 司( p u l s ed e l a yt i m e ) 并1 脉冲间隔时间来控制激光器双脉冲( 1 a s e rp u l s e s ) 的 【1 0 】 o 图1 - 1 离心泵内流场二维p i v 测量系统示意图 1 2 离心泵内部流动p i v 测试研究进展 1 2 1 国内外研究现状 离心泵内部流动非常复杂，其内部流动现象主要包括动静部件干涉、回流、粘 性尾流、汽蚀、旋转失速、多相流、喘振等【1 1 】，已经有不少学者利用p i v 观测到 这些流动现象。 1 动静部件干涉 所谓动静部件干涉就是由于叶轮的旋转，叶轮出口边界条件与蜗壳或导叶进口 的边界条件发生周期性变化，导致叶轮和蜗壳或导叶之间存在周期性的非定常势流 干涉【1 1 】。 2 0 世纪8 0 年代末，p a o n e l l 2 】对3 种流量工况下的离心泵无叶扩压器内速度场进行 了p 测试，研究无叶扩压器对叶片出口尾流的影响。之后a k i n 和r o c k w e l l 1 3 】用二 维p i v 系统研究了离心泵内叶轮与扩压器间隙瞬态的尾迹结构和尾迹与叶片之间 相互作用，发现从叶轮叶片尾部脱落的涡相互作用会引起扩压器叶片前缘的非定 常流动分离现象。d o i 珂1 4 1 、c h u 1 5 , 1 6 l 改变蜗舌和叶轮之间的间隙尺寸，用p 测试 3 离心泵内流场p i v 测试中示踪粒子跟随性的研究 离心泵叶轮蜗舌处的流场结构，研究蜗舌的形状和其与叶轮的距离对流场的影响， 发现蜗壳里的压力脉动是造成泵不稳定流动的主要原因之一，而增加隔舌与叶轮 之间的间隙，减小隔舌附近的不均匀流动，可以减少蜗壳里的压力脉动及其引起 的噪声。为了系统全面地研究叶轮与扩压器之间的动静相互作用，s i n h a 等【1 7 】特地 把模型泵的叶轮与扩压器之间的间隙设计得很大，利用p i v 成功观测到叶轮出口由 势流所产生的非定常流效应一直延伸至扩压器的前缘。w u i b a u t 8 】等利用p i v 技术分 别在设计工况和非设计工况下成功测试到带无叶扩压器的离心泵内瞬态流场的分 布特点，在叶轮叶片流道及无叶扩压器流道内同时观测到射流尾迹流动模式，在 非常小流量工况下发现在无叶扩压器中形成的较大不稳定流繁衍到叶轮出口。 在国内利用p 专门研究动静干涉现象的学者较少。朱宏武等【1 8 】利用p i v 技术 研究离心泵扩散段第八断面内流场，分析影响流动因素很多，如流体与蜗壳壁之 间的摩擦，压力梯度与离心力不平衡所造成二次流以及曲率对流动结构的影响等。 孙荪等【1 9 】利用p 测量了半开式离心泵内部流场，在叶轮与蜗壳间隙处看到回旋和 低速区的存在，并认为这可能导致回流的产生，也使得间隙和叶栅内部流动出现 紊流现象。 几乎所有学者所测得的离心泵内的绝对速度或相对速度场均显示出非对称性， 而这种非对称性的原因就是由于动静部件相互干涉的结果。因此离心泵设计中采 用中心对称流假定有待修正。 2 旋转失速 离心泵在流量减小到某个限度时，叶轮流道内会形成一个或几个失速团，这些 失速团以同样的方向，但以较低角速度绕轴旋转，这种现象称为旋转失速【l l 】。 s i n h a 等【冽结合压力脉动的测量利用p 细致研究了离心泵有叶扩压器内旋转 失速初生和发展机理，试验发现在低于设计流量工况下扩压器内失速团初生的原 因是来自扩压器叶片泄漏流分离造成的，受叶片方向影响不大，而当流量继续减 小时失速团将由一个扩压器流道扩展到两个。p e d e r s c n 等1 2 1 】利用p i v 和l d v 研究 离心泵在设计工况和非设计工况的流动时发现失速现象。试验测试的是六叶片叶 轮，其中在非设计工况下，利用p i v 测得的速度场；发现有以下流动模式：一个 流道内流动受叶轮转动控制，虽然具有较高湍流，但流动形式与在设计工况下一样， 吻合较好，而另一流道有一个相对静止的失速团堵塞叶片进口区，流道剩余部分则 4 江苏大学硕士学位毕业论文 被一个相对静止的涡占据着。这种流动模式是相对静止的，无旋转的并且每两个流 道为一组稳定存在，p e d e r s e n 称这种现象为“双流道”模式。j i a n j u n 等 2 2 , 2 3 利用p i v 和c f d 数据也发现类似的失速现象，通过对比大量的c f d 计算结果发现流道内分 离流也是稳定的，造成相邻两流道流动模式不同的主要原因是叶片所对应的冲角不 同。而利用p 对离心泵内旋转失速比较细致的研究要数k r a u s e 等瞄1 。为了观测 到旋转失速这种高瞬态流，他们采用的是时间解析测量的p i v 系统。试验发现从5 0 设计流量减小到4 0 ，流道内稳定的失速团变为旋转失速，而在3 5 设计工况点流 道4 内存在两个旋涡，其中在叶轮进口处的旋涡旋转方向与叶片旋转方向相同，而 出口处的则相反，整个流道几乎完全被阻塞，如图1 2 所示。 5 离心泵内流场p i v 测试中示踪粒子跟随性的研究 目前空化产生的机理及空化对过流部件材料的破坏现象现在都比较明确了，但 空泡产生