（水利水电工程专业论文）混流式水轮机尾水管内部流场的试验研究.pdf

两华大学硕士学位论文 混流式水轮机尾水管内部流场的试验研究 水利水电专业 研究生李丹指导教师陈次昌 在对水轮机尾水管内流特性测试中，以往多采用球形探针，近年来又 广泛使用了激光测速，但都只能测试某一时刻一个点的数据，并且前者还 会干扰流场。在研究非定常流动时，常常要求在同一时刻获得整个流场的 数据，这样一来就必须使用很多探针，从而增加了对流场的干扰程度，影 响了测试精度。 随着计算机和计算机技术、流场测试仪器以及显示技术的进步而发展 起来的p w 技术，是一种非接触的无干扰、瞬时、全流场的速度测量方法， 克服了空间单点测量技术的局限性。它能够在不干涉流场的前提下，一次 就测得一个面上的流场，同时还能在一个时段内连续进行测量。p i v 技术 已经在多种流场测试中得到应用，但据目前掌握的资料看，国内还没有在 水轮机尾水管内流场测试中采用这项技术。 本文首先阐述了对混流式水轮机尾水管内流特性的理论分析现状，及 日前的测试试验和分析；然后介绍了流动显示技术，讨论了粒子成象测试 技术的基本原理，p i v 系统的基本构成；最后重点说明试验混流式水 轮机尾水管内部流场的试验研究，探讨了尾水管内部流动特征，观察到了 尾水管的涡结构。 通过对粒子成象测试系统的理论分析和实验研究，表明该技术的确是 瞬态流场测试的强有力工具，是现代化实验流体力学的一个重大成就，它 集中体现了现代高科技手段的特点，并且集激光技术、数字信号处理技术、 图象图形处理技术、计算机技术、现代光学技术等为一体，为研究旋涡等 复杂的瞬态流动现象提供了强有力的手段。 关键词：p i v ，水轮机尾水管，流场测试，图象处理 西华大学硕士学位论文 t e s t s t u d y o fi n t e r n a lf l o ws t r u c t u r ea n d c h a r a c t e r i s t i c so fd r a f tt u b eo fm i x e df l o w r i 、l r b i n e w a t e rc o n s e r v a n c ya n d h y d r o p o w e re n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t el id a n s u p e r v i s o r c h e n c i c h a n g i nt h es t u d yo ft h ef l o wo fd r a f tt 曲eo ft h et u r b i n e ，t h ep a s tm e t h o d s ， s u c ha ss p h e r i c i t y p r o b i n g a n dl d v e t c ，h a v eb r o u g h tm u c h d i f f e r e n c eb e t w e e n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h ef a c t s ，b e c a u s et h e s ew a y sw o u l dd i s t u r bt h e f l o wa n d d i r e c t l ya f f e c tt h ee x p e r i m e n t a la c c u r a c y r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a s e ra n dc o m p u t e rg r a p h i cp r o c e s s i n g t e c h n i q u e ，p i vg e t sg r e a tp r o g r e s s p i vm a k e s f l u i dv e l o c i t ym e a s u r e m e n t sb y m e a s u r i n g t h ed i s t a n c et r a v e l e db y p a r t i c l e si nt h e f l o wi nt h et i m eb e t w e e nt w o p u l s e so fl i g h t b ym e a s u r i n g t h ep a r t i c l ei m a g e d i s p l a c e m e n t s ，t h ef l o wf i e l di s p r o d u c e d w i t hv e l o c i t ym e a s u r e d a t h i 曲a c c u r a c yo nar e g u l a rg r i df l o w , p a r a m e t e r ss u c ha sv o r t i c i t ya n d s t r a i nr a t e sc a na l s ob e c o m p u t e d t h i sa r t i c l ed i s c u s s e dt h e t h e o r y o ft h ef l o wo fd r a f tt u b e ，a n di t s e x p e r i m e n t s ；s t r e s s e dt h es y s t e ma n dt h es t r u c t u r eo fp i v a tl a s t ，w ed i s c u s s e d at e s tw i t hp w a sd e s i g n e dt ot e s tt h ef l o wo ft h ed r a f tt u b ew h e nt h e o p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ec h a n g e d a n dt h e i n t e m a lf l o wo ft h ed r a f tt 曲e b ya n a l y z i n go ft h et h e o r yo fp w a n dt e s t s t u d y , w ec a ns e et h a t p i v t e c h n i q u ei sa ne f f e c t i v et o o li ni n s t a n tv o r t e xs t u d y i n g t h i st e c h n i q u ei s a n i m p o r t a n ta c h i e v e m e n ti nm o d e mh y d r o d y n a m i c s t h i st e c h n i q u ei sae f f e c t i v e m e t h o di nt h es t u d yo fv o r t e xa n do t h e r c o m p l i c a t e di n s t a n tf l u i d k e yw o r d ：p r y , d r a f t t u b eo ft h et u r b i n e ，t e s tt h ef l u i d ，g r a p h i cp r o c e s s i n g 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 流动现象是一种跨行业、跨部门、跨学科的现象。流体机械是流动现 象的载体，广泛应用于水利水电工程、流体机械工程、航空航天和空调制 冷等行业。归结起来，这就是有关高速流、低速流、管道流、冲击流、涡 流、湍流，还有两相流、多相流等等的一系列流动问题。随着社会进步， 我们对研究这些领域的流动性问题要求越来越严格，我们必须研究和探索 流体机械内部的流动性问题。另一方面，科学技术的突飞猛进，又给我们 带来了研究的硬件条件。这样，诞生了近代流动显示技术。 统计数据显示，每年的电力缺口呈增加趋势。我国是世界上水资源最 丰富的国家之一，在魏国大力发展水电站，提高电力供应能力，是当前的 迫切任务。水轮机是水电站的重要部分，它的有效性、稳定性，是电站的 重要指标。效率，关系到水轮机的利用程度，稳定性关系到电站能否安全 生产。相对于水轮机的其他部分，尾水管稳定性问题人们研究的较晚一些， 加之问题较复杂，涉及学科较多，试验技术仪器的限制，我们还没有完全 认识清楚。再者，尾水管内的流动状况，从查阅的资料上看，一种是理论 分析，一种是在模型机上安装传感器，定点观测。前者是一种纯计算方法， 与某些实际情况不一致，后者针对的只是一点，至多只是一个很小区域， 缺少对整个模型的总体认识。流动显示技术的发展，使观察一个面的流动 情况成为可能。 流动显示技术发展至今不过一百年，但每一步都是研究手段上的重大 突破。1 8 8 3 年的r e y n o l d s 转唳试验；1 8 8 8 年的l a c h 关于激波现象的观察； 2 0 世纪初期p r a n t l 用金属粉末做示踪粒子，获得了一张沿平扳的流谱图， 从而提出了边界层的概念；1 9 1 9 年v k a r m a n 对外水槽中圆柱体绕流的观 察并提出了k a r m a n 涡街；6 0 年代对脱体涡流型的研究；7 0 年代湍流拟序 结构的发现：8 0 年代对大迎角分离流的研究和分离流型的提出等等，无一 不是以流动显示的结果为基础的。近二十年来，随着传感技术、激光技术、 微电子技术的发展，产生了一批卓有成效的测量手段，如火花放电探针技 西华大学硕士学位论文 术( s p a r k d i s c h a r g ep r o b e ) 、快速响应离子技术( f a s tr e s p o n s e i o n p r o b e ) 、粒子跟踪测量技术( p a r t i c l et r a c i n gv e l o c i m e t r y ) 、热线风速 仪( h o tw i r ea n e m o m e t e r ) 、激光多普勒测速仪( l a s e rd o p p l e r v e l o c i m e t r y ，简称为l d v ) 、粒子图象测速仪( p a r t i c l ei m a g ev e lo c i m e r r y ， 简称p i v ) 等【驯。这些先进测量技术，使我们对流体机械内部的流动情况 的观察更加直接和精确。其中，热线风速仪( h w a ) 用于离心压缩机扩压器 流场测试和湍流边界层的减阻研究：激光多普勒测速仪( l d v ) 用于风机叶 轮流场的测试研究：特别要说的是7 0 年代发展起来的p i v 技术，由于结合 了流动可视化技术和定量测量技术，实现同时测量一个断面的二维速度矢 量分布，可用于叶轮机械动静相干非定常流场的研究、用于管道内横向射 流的研究，具有较高的测量精度，使得其在流体机械流场测量中得到广泛 应用。然而，用p i v 技术对水轮机尾水管内流动结构和内流特性的试验研 究，国内尚未见到公开报道。 1 2 尾水管内流场测试现状 尾水管是组成水轮机过流部分的主要部件之一，其性能好坏直接影响 机组的总效率和运行稳定性。 研究尾水管的方法，通常是用一个模型转轮配不同的方案的尾水管来 进行试验，比较不同方案机组的效率特性和稳定性，以此来判定不同尾水 管的水力性能。要从理论上阐明尾水管性能的优劣和分析各种尾水管中能 量损失的原因，就必须进行尾水管流场测定。而测定尾水管的压力脉动特 性，则可以判定一个转轮的水力稳定性和不同尾水管对运行稳定性的影响。 1 2 1 尾水管中的水流运动及水力分析 ( 一) 尾水管的功用 尾水管安装在水轮机最下层，与基础环相连。多采用弯肘形尾水管， 由进口锥管、弯肘形管和出口扩散段组成。当跨度太大时，为减小尾水管 尺寸，在中间加支墩。 尾水管的功用可归纳为： 2 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) 汇集转轮出口处的水流，并引向下游； ( 2 ) 可将转轮装置在下游水位之下，并在转轮出口处形成静力真空，从而利 用转轮高出下游水面的吸出高度日。 ( 3 ) 减少水轮机出口动能损失，使转轮出口处动能恢复为静力真空，从而提 高水轮机效率。 ( 二) 弯肘形尾水管中的水流运动 弯肘形尾水管由三部分组成：锥管段、弯肘段和水平扩散段。 锥管段为垂直的圆锥形扩散段，一般是较短的管。弯肘形直锥管出口 动能并不损失，而是流向肘管和出口扩散管。 弯肘段是一段9 0 。的弯管，其断面一般由圆形过渡到矩形，在肘管内 水力损失比直管要大的多，因在弯管内水流发生了方向的改变。由于水流 的转弯，受到离心力的作用，使压力沿离开曲率中心的方向增大，而流速 相应降低，因此靠管道外壁的压力增大，而内壁压力降低，同时靠内壁产 生水流收缩，靠外壁产生水流扩散，形成旋涡滞水区。在转弯后流向直线 部分时，又产生扩散效应，因而在弯管段内有较大的水力损失。 水平扩散段是一个水平的矩形断面的扩散段，一般为水平布置，其断 面是矩形，在水平方向不扩散，仅向顶板上扩散。 水流由转轮流出经锥管段后进入肘管，并在肘管中转弯改变流向。随 着此变向及流线的扭曲必然产生离心力，使压力沿离开曲率中心的方向增 大而流速则相对降低，亦即水流由锥管段进入肘管转弯时，靠近外壁处压 力增大只 p 、流速降低，而内壁则压力减小只( p 、流速增大，如图1 1 。 因此，内壁处液流收缩而外液流则扩散，形成涡流滞水区2 。水流经肘管 后流入水平扩散段时，由于离心力的作用逐渐消失使断面压力分布又趋于 均匀。这样，原来在弯管段内具有较高压力的水流进入出口段时压力要降 低，液流加速而呈收缩状。而靠近内壁原来压力较低流速较高的水流在水 平扩散段则压力增加流速降低，使液流呈扩散状而形成另一涡流滞水区1 。 除上述滞水区外，大多数工况下下在锥管段及弯肘段中还存在一种螺旋形 运动的水流，这种形态的水流一直到水平扩散段才逐渐消失。 西华大学硕士学位论文 f i g 1 1t h e s t r u c t u r eo fb e n dd r a f t 图1 1 弯肘形尾水管的构造 尾水管运行中实际流态分析 如图1 2 ，在最优工况运行时出口水流没有切向分量即y ，= 0 ，当流 量较大时，出口水流具有与转轮方向相反的分量，即：t0 ；当流量较小 时，出口水流具有与转轮旋转方向相同的方向即v o 。，0 。由此可见，当水 轮机运行工况偏离最优工况后转轮出口水流形成环流，工况偏离越大则水 流的旋转强度越大，此时在尾水管中将出现涡带。此外在机组过渡过程中， 尾水管内还会出现压力脉动，增压或脱流等异常现象，涡带的存在和过渡 过程中尾水管内水流的不稳定等均会造成机组振动、抬机、功率摆动，有 时甚至会造成机组破坏。随着当前单机容量的不断增加，对尾水管运行中 实际流态的分析研究已逐步引起人们的重视。 f i g 1 2v e l o c i t yt r i a n g l e o fr u n n e re x i ti n c h a n g e do p e r a t i n g c o n d i t i o n s 图1 , 2 变工况时转轮出口速度三角形 4 西华大学硕士学位论文 1 、正常运行时尾水管内水流流态分析 当水轮机在偏离最优工况运行时，由于水力方面的原因，如转轮叶片 后卡门涡列引起的水流扰动力，汽蚀引起的局部脱流以及尾水管中因 ，一0 而引起的空腔涡带等的联合作用，均将导致尾水管内水流周期性压 力脉动和水轮机功率脉动，有时甚至引起机组的强烈振动，使水轮机不能 稳定运行。当水轮机在汽蚀工况或低水头、低负荷等工况运行时，更易出 现这些现象。 由涡旋运动特点可知，在旋涡中心运动速度很大，压力就很低，因而 尾水管涡带的中心部分常常是气体而不是水，在转轮出口水流和尾水管的 形状完全几何对称的条件下，这样的涡带将位于尾水管的中心部分且以水 轮机轴为对称轴。但实际上转轮出口水流不可能完全对称，其尾水管大多 数为弯肘形无法做到轴对称，这样的不对称性将引起涡带偏离转轮轴线， 而一旦出现偏心之后，由偏心旋涡的速度场和压力场的计算表明，作用在 水流上的合力产生两个作用。一是迫使旋涡中心进一步远离转轮轴线，偏 心度越大则偏心合力越大，即旋涡中心的离心趋势是发散性的。另一个作 用是迫使旋涡中心沿水流旋转方向旋转，再加上水流向下的运动就形成了 尾水管中盘旋形的涡带。 涡带的大小、偏心程度、以及涡带消失位置，主要取决于运行工况即 转轮出口水流的旋转程度。旋转的偏心造成了尾水管中压力分布的不对称 性以致形成一个作用于尾水管管壁的横向力。而且由于旋涡中心也绕水轮 机轴旋转，使水流的压力分布规律及这个横向力也周期性改变，这种周期 性改变的力将引起振动。 试验表明，弯形尾水管的高度和弯管的曲率半径对压力脉动均有一定 的影响。高度较大以及弯管曲率半径较大的尾水管，能使压力脉动减轻。 2 、动态过渡过程中尾水管内的压力变化 水轮机从正常工况转到飞逸或制动工况，以及当导水机构开度变化 时，它的主要参数流量和力矩将发生显著的变化。此时水轮机流道中 的水流特性( 能量、压力和速度的图形) ，是与正常负荷工况下的水流特性 不同的。 5 西华大学硕士学位论文 如果在尾水管锥管段的某一位置埋一根测压管，并测得尾水管中的压 力相对值为 元：里 日 式中h ，；上+ z p g 日水轮机工作水头 p 距转轮出口为x 处的尾水管压力表读数 z 测压点x 到下游水位的高程差 在飞逸工况下( n i 。；1 6 8 n i 。) ，流态的不均匀性进一步增大，负水头 区( hc 0 ) 扩大到约占8 0 的面积。靠近尾水管边壁处的圆周和轴向分速 度都增大了，在中心区则存在很宽的反向流动区。在制动工况时 ( n ：= 1 9 4 n i 。) 的流态和飞逸工况的流态比较接近。 在实用上最感兴趣的是开度变化对转轮后面水流流态的影响。 偏心涡带的出现主要产生两个不利的后果，一是引起机械振动和破坏。 由于偏心涡带所形成的横向力较大，尾水管管壁在这个力的作用下容易造 成破坏，特别是容易造成管壁与基础混凝土分离从而使尾水管迅速破坏。 这就是运行电站尾水管附近常常振动较大容易破坏的原因。在一定条件下， 当偏心涡带引起的振动频率与机组及其基础部分的固有频率接近时将引起 共振，这会使机组无法正常工作。 偏心涡带引起的另一个结果是引起所谓“功率摆动”。尾水管中水流状 况的周期性变化必然引起转轮区速度和压力场的周期性变化，这将引起转 轮所发出的功率周期性变化。一般情况下这种功率变化是不显著的，亦不 致影响机组正常工作。但当功率变化频率与电气部分和调速器部分的某一 固有频率接近而发生共振时，会引起功率大幅度摆动。这种情况在国内外 运行机组上都曾出现过。 1 2 2 水力机械内特性测定方法 1 流体动力测量仪探针 6 西华大学硕士学位论文 目前，在研究水力机械流动情况时，广泛采用探针测量液流参数。探 针，作为流场的精密测量仪器，按照待测空间大小的不同和不同的测量要 求，可以设计成若干不同的尺寸和不同的结构形式。 在所有利用差压计测出的压力差来指示液流方向的各种类型的探针 中，以五孔球形探针较为完善，其主要缺点是：对脉动流不敏感，只能用 于稳定流场的测定：在低速的水介质流场中使用反应较迟钝。这些缺点无 法克服，只有应用电子探针或热膜探针等新的测试仪表才可避免。 对探针的基本要求是：首先是几何尺寸要尽可能的小( 头部尺寸一般 为5 庐1 0 毫米) ，这样就可以缩小因探针的插入对流场所引起的不同程度 的扰动，并便于在实际尺寸有限的流道或间隙中有效的进行测量；。其次， 是测量精度和高灵敏度要高；此外，探针的强度、刚性、通畅性和严密性 要好，结构要简单，装拆及定位要方便等。 为了获得可靠的试验数据，每支探针在使用前必须在水洞或风洞里进 行专门的校正。 2 油膜法 油膜法是在物体表面上涂上油膜( 油和颜料的混合物) ，观察流体在油 膜上留下的痕迹，以此来判断表面附近流动状况的一种显示方法。 优点是：适用的流速范围广；不扰乱流场并可得到全部情况，适用于 研究液体流动的油膜，是润滑油和氧化铝、氧化钛等物质组成的混合物。 但是要使油膜上的流动痕迹保存下来，必须要经过几次预备试验，以 掌握油膜接触流动的适当时间。还有，要使各部分流速不同的整个表面都 有鲜明的油膜痕迹，必须在不同流速处分别涂上混合比不同的油膜。将油 膜涂成点状或线状可以判别复杂的流动方向，各部分用不同颜色的油膜可 以弄清分离的边界和流动源。油膜法所得的模型是平均速度矢量作用的痕 迹，不能看出流动随时问的变化。 3 丝从法 将一束纤维丝直接贴在物体表面或利用支柱在离开表面的位置上插入 流动的液体中，只要速度足够大，这些线便相当准确的顺着流动方向，于 是，就很容易得到流向分布的全貌。有时还可把一些羊毛纤维规则地固定 在所研究的物体表面如叶片模型上，这些纤维便能指出流动方向，由此我 7 西华大学硕士学位论文 们便能更清楚的看出液流分离的区域。西德斯图加特工厂利用小型风洞研 究高水头蓄能电站叉管中的流速分布以寻求合理的叉管形状就采用了丝从 法。我国有的研究单位也曾用金属箔来研究尾水管的流动。 4 用小粒子、气泡跟踪流动 掺入的小粒子可以是固体也可以是液体，一般选择那些在流动中不易扩 散、和流体比重差别不大，易于拍照的，不污染观察窗的物质作跟踪物。 在水介质流场研究中可用空气泡、有色液体或固体粉末等。空气泡虽比水 轻的多，但由于产生和控制极为简单，又不污染流道，因此首先得到了应 用。有色液体由于比重和水接近而又不容易分辨颜色，适用于观察复杂流 动的详细结构，但在特别紊乱的区域，有色液体急剧扩散，不能观察，为 此，在所有场合下为了防止跟踪物因紊乱而扩散，应在低雷诺数下进行试 验。用两种油混合其比重与水相同的油滴作跟踪粒子，则在水中不扩散， 且不受油比重引起的重力和离心力的影响，流速较高时也可以使用。 5 测试尾水管流场现状 马震岳p j 介绍到，采用l d v 对扩散段的轴向和水平速度进行了测量， 指出轴向速度分为右区高速区和左区两个不规则的区域，水平速度几乎成 对角分布。二次流场的特征表现为一个大的涡流以逆时针方向旋转。 刘玲l l u j 对模型转轮的流态观测试验利用的是哈尔滨大电机研究所开 发的模型转轮流态观察成象系统，对模型转轮进、出口的涡带、空化、脱 流等现象进行实时观测、记录。在压力脉动试验和流态观测试验的基础上， 对模型水轮机压力脉动的变化规律、尾水管涡带的变化规律及涡带宽度识 别的方法进行了研究。 吴钢l l l j 在测定尾水管流场时，采用文吐里流量计测流量，采用五孑l 球 形探针分别测定在不同开口下、不同半径上的速度值及方向。将测定的流 场和压力脉动值比较，得出出现较大压力脉动时，尾水管有回流，回流覆 盖半径越大，压力脉动值也越大。同时观察到，圆周方向的速度分量的大 小和压力脉动值大小有密切关系。 彭忠年l l 。j 观察叶片出口水流流态是利用闪频仪，通过透明的尾水管锥 管直接观察。 谢小桐l l j j 介绍了采用5 孔毕托柱测量模型水轮机进、出1 2 1 断面的流速 r 西华大学硕士学位论文 分布， l 1 林琳是l l 珥j 在尾水管出口闸门槽断面布置若干测速仪，测量水轮机流 量。但这种方法要适当选择无涡带影响的负荷区域，并率定蜗壳流量系数， 但不能直观判断流面是否存在旋流；同时，为保证测流精度，又要在测流 断面适当增加流速仪的布点，这必然会影响流态，增加试验成本。 b o r i sv e l e n s e k u 3 j 在4 个典型的s 型尾水管上，利用激光多普勒风速 仪和5 孔柱形探针对尾水管进行了流速、流量测量，分析了流动特性，演 示并讨论了水轮机在满负荷运行时，从尾水管入口到出口的三维流动特性。 s e b a s t i a n om a u r il l o j 利用l d a 技术对轴对称直径上的六个工况点进 行了进口条件的试验性研究。通过2 d 激光探测仪获得了速度分量和雷诺应 力张量。用5 通道稳压传感器测出速度和压力分布情况。将大范围运行工 况详细试验数据和r a n s 计算预测比较，认为虽然测量很详细，但确定平均 流动边界条件提供的数据并不充分，需要开发先进的紊流模型，用于复杂 的几何体，然而使用先进的模型，需要更详细的边界条件，这就使得该方 法难以应用。需要我们更迸一步的详细测量边界条件。 a n d e r s s o nu l l7 j 提到了将喷针镶入一个压力塞中，在模型各处喷上荧 光着色剂，借助于激光栅来观察形成的羽状流部分。用录象设备记录结果。 这种方法可快速提供出尾水管总体水流观测结果。但这种方法有两个缺点： 裰象机的时间分辨能力小；着色剂分布不确定。在这个试验中实际用的是 风向测定法( l d a ) ，这种方法可测相互垂直的两个速度分量。拍摄得到了 尾水管肘管中“分散型流线”。 1 3 现代流动测试技术在流体机械中的应用现状 流动显示的任务是使流体传输现象的过程可视化。它是流体力学的重要 组成部分。通过各种流动显示试验，可以了解复杂的流动现象，探索其物 理机制，为人们发现新的流动现象，建立新的概念和物理模型提供依据。 1 3 1 流动显示技术的现状 至今出现的流动显示方法繁多，大约有几十种，通常把它们分为常 规的和计算机辅助两大类。第一类是传统的流动显示方法，第二类是计算 9 西华大学硕士学位论文 机辅助的流动显示方法。 传统的流动显示方法可以分为四组：壁面显迹法、丝线法、示踪法和 光学法，它们分别适应于不同的速度范围。流动显示研究的一个重要目标 是不断的向速度范围的两端( 较高速度和较低速度) 发展。 第二代流动显示方法以含有计算机辅助技术为标志。在试验方面，以 常规的流动显示设备为基础，用计算机图象处理系统做图象处理，然后用 彩色显示参数的变化，给出丰富的流场信息和高质量的图像。在计算方面， 重视试验与计算的结合，用流动显示或流场测量测量给出某些边界条件或 进行全流场测量，然后用数值模拟方法进行计算，用计算机作图，然后以 图像显示结果。 第二代流动显示技术的关键是应用图象处理技术。它不仅提高了流动 显示数据处理的速度和精度，而且提高了显示图象的质量，把流动显示提 高到了一个新的水平。 由于新一代飞行器研制和其它： 程对复杂流动认识的迫切需要和激光 技术、计算机技术、电子技术、信息处理技术的飞速发展，促进了新一代 流动显示技术的问世和发展。近十年来，发展起以粒子图像测速( p i v ) 、 激光诱发荧光( l i f ) 、激光分子测速( l m v ) 、压敏涂层测压( p s p ) 为代表 的新一代流动显示技术，他们一般兼有定性显示和定量测量的能力，有的 已经实现了对非定常复杂流动的空间结构的瞬态显示与测量，从而对复杂 流动的研究取得了重大进步。 7 0 年代末发展起来的粒子图像测速( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ， 简称p l v ) 技术，可同时测量一个断面的二维速度矢量分布，而且具有较 高的测量精度。 p l v 技术的基本原理是在流场中投放示踪粒子，用脉冲激光光片照射所 测量的流场，通过连续两次或多次曝光，获得p l v 底片，然后采用光学杨 氏条纹法、自相关或互相关法处理p l y 底片，从而获得流场的二维速度分 布。 如果流场中的粒子浓度很高，则记录在底片上的是粒子群的散斑图像及 其位移，称为激光散斑图像测速技术( l s v ) 。相反，如果流场中的粒子浓 度很低，在确定粒子位移时采用单个粒子的识别和跟踪的方法，称为粒子 1 0 西华大学硕士学位论文 跟踪测速技术( p t v ) 。p i v 技术中的粒子浓度一般在最小分辨容积内有4 1 0 个粒子。p i v 不是采用确定单个粒子速度的方法，而是采用在最小分辨容 积内取有限粒子的统计平均速度。 应用p i v 技术的关键有三：一是有性能优良的脉冲激光系统；二是有高 精度c c d 摄像机：三是有大容量、高速度的图象处理系统。p i v 系统目前 已经达到商品化，从而使p i v 技术发展到实用阶段。目前，以高精度、快 速测量和实时处理为特点的数字式粒子图像测速( d p i v ) 技术可以在2 0 0 m m x2 0 0 m m 的断面上测得瞬时3 5 0 0 、1 4 0 0 0 点的速度矢量分布，其精度达 o 1 1 ，处理一个断面数据的时问约几十秒到几分钟，可以在c r t 上直接 显示。 三维p i v 技术是目前p i v 技术的发展热点之一。目前已经探索出用p i v 技术在一个断面上取得三维速度场的方法，主要有立体摄影布局方案和全 息粒子图像测量( h p i v ) 两种。h p i v 即对全场的粒子采取二次曝光的全息 记录，在重建速度矢量时采用p i v 技术，逐点判读小区来自不同方向的图 像，并由此确定第三个方向的速度场。 1 3 2 流动显示技术在流体机械中的应用现状 近年来产生了一批新的卓有成效的测量手段，如火花放电探针技术 ( s p a r k d i s c h a r g ep r o b e ) 、快速响应粒子技术( f a s tr e s p o n s e i o n p r o b e ) 、粒子跟踪测量技术( p a r t i c l et r a c i n gv e l o c i m e t r y ) 、热线风速 仪( h o tw i r ea n e m o m e t e r ) 、激光多普勒测速仪( l a s e rd o p p l e r v g e o c i m e t r y 、粒子图象测速仪( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 等。这 些先进的测量技术在流体机械测量中得到广泛应用。 k i mc h a n g s 0 0 1 1 d ；j 对一工业通风用轴流风机做了性能试验和对转子出 口的三维流场进行了测量。流场测量使用多点采样和锁相平均技术的倾斜 热线探针。分别对3 种安装角和3 种流速下的流场进行了测量。结构表明 叶片安装角对风机性能和流动特性都有影响：安装角增加时，最大流速和 压升都有增大，失速的可能性越大，最大效率略微下降。当安装角减少时， 流场变得更复杂和更不稳定。测量中捕捉到转子出口的测量截面上有叶尖 泄露涡，轮毂面附近的二次流和尾迹中的径向流动。二次流，特别是尾缘 1 l 西华大学硕士学位论文 分离涡对气流出口角有很大影响。 l 1 张武高u 刈介绍了利用激光多普勒测速仪( l d v ) 测量离心泵蜗壳流道 内部速度场时的速度与流量两种校核方法。说明当蜗壳内的液流速度较高 时，测量结果较精确：当蜗壳内的液流速度较低时，测量结果相对误差较 大。为此，在选择示踪粒子时，应尽量减小示踪粒子的直径，并使其密度 与待测液体密度相当。提出了先采用速度校核法初步确定流道内的速度， 再选定相应速度下的滤波值与频移范围，最后利用l d v 精确测量离心泵蜗 壳流道的内部速度场的测试方法。 刘正先t z u j 应用激光多普勒测速仪和旋转编码器实现了对后弯闭式离 心叶轮内三维湍流流场的测量。较详细地描述了设计工况下回转流面上主 流速度的分布特点；绘出了径向面上速度矢量分布图，结果表明在旋转流 场中，流体粘性对气流方向具有不可忽视的作用；试验测量还得到了在曲 率和旋转因素的综合作用下，流道中部和出口处产生的由强到弱的二次流 涡，涡面垂直于主流方向。 t i s s e r a n t t z l j 提到由于p i v 技术是流动可视化技术和定量测量的有 机结合，它己广泛应用于流体机械内部流动的测量研究中，特别是对周期 性流场或非定常流场的测量。他用p i v 对跨音速轴流压气机转子的叶片通 道区域的流动进行了详尽的测量。 w e r n e t t 2 叫指出p i v 能对平面流场进行瞬时测量，使得它在流体机械 复杂流场的测量研究中得到广泛的应用。文中讨论了光路、片光源、c c d 技术和示踪粒子等。试验中用p i v 技术对跨音速轴流压气机的叶片通道区 域和高速离心压气机的扩压区域的流场进行测量，获得了瞬态和时均流场。 刘宝杰t z 。j 利用在线式互相关p i v 系统，在低速风洞中对n a c a 0 0 1 2 冀型在雷诺数2 3 9 x 1 0 5 ，0 。和4 。攻角下的近尾迹流动进行了详细测量。试 验结果表明，冀型近尾迹存在有序的涡街结构，涡街在尾缘处形成后，在 向下游的迁移中，会经历一个发展壮大、失稳破碎的演化过程，流动从有 序走向无序。冀型的近尾迹是一种以旋涡的运动学特性和动力学机制为主 导的流动显现象。着重探讨了冀型尾缘处的涡街形成机理，尾迹内的流动 机制，以及近尾迹的流动稳定性。 西华大学硕士学位论文 张莉l z 耳j 以离心风机为研究对象，设计构建了用于内部流场激光测量 的离心风机试验台，离心风机全部由透明度较高的材料制成。对p i v 技术 测量流体机械内部流动的应用进行了探索和实践，合理设置系统光路，优 化筛选p i v 示踪粒子和p i v 双曝光时间间隔，最后采用p i v 测量技术详细 测量了某一运行工况下有叶扩压器的内部流场，给出了有叶扩压器不同轴 向位置处流场的试验测量结果，并简要讨论了有叶扩压器的内部流动。 w i l l e f t l z 3 j 讲述了p i v 技术中的最佳配置方案。这种配置中使用两 个标准c c d 相机，拍摄方向向上垂直。在镜头交叉处有分光器，能将前面 棱镜传来的图象一分为二。因而每个c c d 相机可以得到同样的流场照片。 初步测量表明由分光所带来的误差很小，对于测量没有很大的影响。 许洪元m o j 将p i v 技术应用于离心泵流道中固粒速度场的研究，分析 了具有不同物理特性的橡皮泥、核桃壳和砂子等固体颗粒在流道中的运动。 研究表明p l y 技术可以成功地运用于离心泵流道中的两相流动分析；固粒 的密度影响其在叶轮中的相对运动轨迹，固粒的粒径和形状则主要影响其 运动速度大小；揭示了开式叶轮比闭式叶轮效率低、磨损快的原因是固粒 受到水流泄漏的影响，其相对速度比在闭式叶轮中大。 朱宏武m7 j 使用p i v 技术测量了离心泵扩散段第八断面和隔舌部分的 流场，得出了在i1 1 设计流量和5 0 设计流量两种工况下的速度矢量场， 流函数等值线圈和旋度等值线图；发现了隔舌处流动驻点位置随流量变化 的现象：得出了大流量工况时叶轮出口处的液流绝对速度方向向大出口角 方向偏移，小流量工况时叶轮出口处的液流绝对速度方向向小出口角方向 偏移的结论。 李永p j 采用p i v 技术测量了水泵吸水池内部流动，得出了吸水口处 的环量分布、测量面上的涡度分布、交叉面处的三维速度分布等流动参量， 还根据试验中所拍摄的图片进行分析，得出吸入涡中气核大小的分布情况。 i 3 3 流动显示技术的发展趋势 1 多种流动显示技术的综合使用 目前，可使用的流动显示方法很多，这些方法各有所长，又各有一定 的使用条件和测速范围。在一个研究项目中往往把多种流动显示方法综台 1 3 西华大学硕士学位论文 使用，相互补充，相互验证，以获得丰富，可信的复杂流动信息。例如， 美国在航天飞机气动设计研究中，就用油流、升华、液晶、荧光微丝、红 外热像等多种方法显示表面流动和热状态，用烟流、蒸汽屏、阴影、纹影、 全息干涉等方法测量表面流动和热状态；而用烟流一片光、阴影、纹影、 全息干涉等多种方法显示和测量空间流态。 2 以瞬时、定量、三维流动显示为目标，发展多种流动显示技术 目前，最引人注目的是p i v ，l i f 和p s p 技术。p i v 技术已经达到实用 阶段。l i f 技术既能定性地显示流场，又可以定量的测量速度、温度和密 度等参数；既可以用于低速，有可以用于高速流动，是一种很有发展前途 的流动显示技术。p s p 技术在国外已用于型号试验，并不断向低马赫数m a 使用范围扩展，由于它具有能连续获得压力场信息，可大量节省模型制造 费和风洞试验费等明显优点，因此倍受热人们关注。 近年来发展的激光分子流场检测技术方兴未艾，它是通过流场中分子 与激光场的相互作用( 散射、吸收、色斑、辐射、解离等) ，利用光学效应 和光学成像技术把流场参数转变为光学参数，通过光学处理获得流场信息。 由于它一般不需要粒子，测量信息量大，精度高，因此受到重视。 3 流动显示技术与计算机结合 在近代流动显示技术中，计算机主要用于对流动显示系统实施控制、 图象处理和数据处理，把二维图像进行三维重建，获得空间的流动结构和 定量的结果。 4 流动显示计算流体( c f i ) ) 结合 用各种流动显示方法提供必要的边界条件和物理模型，例如，涡核的 位置，边界层转唳位置，分离点和分离区，激波位置等等，以提高数值模 拟的准确度；同时，数值计算的结果又有助于对流动图像的分析。 1 4 本文的主要工作 本试验研究所用的是h l 一2 2 0 改进型水轮机尾水管模型。 测试试验在东方电机厂水轮机闭式试验台进行。 本文研究所作主要工作及目标如下： 1 、水轮机尾水管锥管测试。包括锥管子午面的2 个测试断面，锥管径 1 4 西华大学硕士学位论文 向面的3 个测试断面，各测试断面做了1 7 个工况。 2 、水轮机尾水管肘管测试。包括3 个断面，每个断面各测1 7 个工况点。 3 、水轮机尾水管扩散段测试。包括扩散段左侧面，共测6 个断面：扩 散段右测面，共测6 个断面和扩散段上侧面，共测8 个断面。每个 断面各测1 7 个工况点。 4 、本文的试验测试研究工作旨在探索水轮机尾水管的内流特性，为改 善水轮机的水力性能和提高水轮机的工作效率提供试验依据。同时 为p i v 技术与水轮机尾水管内流特性的测试试验结合积累经验。 西华大学硕士学位论文 2 粒子图象测速技术( p i v ) 原理及基本组成 2 1 p i v 概述 粒子成像测速技术( p a r t i c l ei m a g ed i s p l a c e m e n tv e l o c i m e t r y ，简 称p i v ) 是在2 0 世纪7 0 年代由固体力学散斑法发展而来的技术，是一种瞬 时、无干扰、全流场的速度测量方法，利用示踪粒子对光的反光性和对流 体的跟随性，用c c d 摄像机记录粒子在不同时刻在流场中的位置，用图象 处理技术和图象处理相关法分析粒子在某一时间间隔的位移，而得到粒子 所在场的速度及其他瞬时参数。 2 1 1 历史背景及技术基础 p i v 技术的产生具有深刻的科学技术发展历史背景。首先是瞬态流场 测试的需要。比如燃烧火焰场、内燃机、垂直起飞飞机和直升飞机水平冀 运动表面附近流动状况，流动控制技术，自然对流，火箭发射，尾部流场， 火炮发射口流场等等都是典型的瞬态流场。这些瞬态流场靠单点测量是不 可能完成测量任务的。众所周知，l d v 是一种典型的单点流速测量仪器。 l d v 的空间分辨大约是1 到2 m m ，其精度为0 1 到1 ，它的频率基本上取 决于穿越测量体积所需要的时间，但这种形式的单点测量不可能提供瞬态 速度场图案。流场显示技术对于提供流动图案无疑是非常有效的，可惜在 定量上遇到了很大的苦难。利用一些典型流动来估计流场速度的办法虽然 取得了某些成效，但精度比单点测量低了个数量级( 即大约1 到1 0 ) ， 分辨率也差不多小了一个数量级( 即大约l o m m ) 。这就是说就已有的经典 测量技术来说，精度高的单点测量技术难以获得流场的瞬态图象，而能获 得流动瞬态图象的流动显示又很难获得精确的定量结果。 于是人们自然的想到了多点测量技术。热线技术是最早实现多点测量 技术的方法，目前已经出现多达8 0 点的测量仪器和飞行热线测量方法。激 光测速技术也已实现了多达六个测量体的l d v 系统。但这些方法或者干扰 和破坏了流场，或成本太高，而且对获得整个细致的流动图象也很费事， 更主要的是难以满足瞬态流场测试的需要。如果速度变化不太快的话，超 声波是有可能沿一条线测量速度的。最近，有人用核磁共振( n m r ) x 断层 1 6 西华大学硕士学位论文 照相图象来测量三维速度场。但是由于n m r 技术是高度专业化的技术，而 且价格高，流场范围也仅限于线性尺度为2 0 0 m m 级的小流场，测量时间长 达几分钟，因而目前也难以满足实际需要。 其次是了解流动空间结构的需要。我们知道，通常只有在同一时刻记 录下整个信息场时才能看到空间结构。如在高湍流流动中，采用整体平均 不适合于保持流动中不断改变的空间结构。平均数据的过程容易引起流动 图象的消失。例如强风中被风飘吹的旗帜，人们不可能看到旗帜表面的单 个波纹，相反的只能看到模糊一片的结果。只有通过诸如p i v 技术才有可 能获得流动中的小尺度结构的逼真的图象。目前已有不少研究工作者使用 p i v 技术获得了小尺度结构的矢量图，其中平均速度矢量已从场信息图的 每个矢量中减去。 湍流研究的需要给发展p i v 技术提供了强大的推动力。相干湍流结构 的运动学和动力学试验已经迫不及待的去利用流场显示的定性信息，然后 配之以条件采样法来提供定量结果。然而条件采样法常常使空间结构平滑 到不可接受的程度，根本无法满足研究瞬时非平均相干结构的需要。大家 知道，湍流流动特性包含了很宽范围的运动尺度，同时在试验技术上也寄 托了很高的期望，因为它们要求必须有能力测量包含相干结构的足够大区 域的速度场，同时又要具有分析足够小的尺度的空间分辨率，这就是说测 量点数必须非常大。这就决不是前述常规多点测量法所能满足得了的。 第三是某些稳定流场的测试需要。所谓稳定流动指的就是速度脉动与 平均速度相比很小的流动。实际流动中存在着许多特殊情况。比如狭窄流 场，其流动本身是稳定的，但流场狭小，l d v 的分光束难以相交成可测状 态，而h w f a ( 热线热膜风速计) 又会破坏流场的状态。此时p i v 技术就可 以大显身手。 p i v 技术的产生也有其技术基础。首先就是图象处理技术的发展和阵 列式计算机的产生给处理图象提供了现实可能。这是技术发展的大局决定 了的，它将会把流场显示所获得的定性图象推向定量化。可以说粒子图象 测速技术中的多数方法都是经典的流动显示技术的自然延伸和扩大。 除上雨外，还必须提到p i v 技术的另一个技术基础激光散斑测速 技术。这个技术来源于固体力学。众所周知，固体表面散射的相干光将自 1 7 西华大学硕士学