（机械电子工程专业论文）离心泵内部流动piv测试研究与三维数值模拟.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，粒了图像测速技术( p ，p a n i c l ei i n a g ev e l o c i m e n y ) 发展比较迅速，该技 术应用范围比较广泛，已成为研究复杂流场的一种有效测试手段。 虽然很多学者在离心泵内部流动方而研究比较多，对离心泵内部的流动结构和流 动规律也有了一些认识，但由于离心泵内部流动比较复杂，许多流动现象的流场结构 和产生机理仍不是太清楚，因此还需做大量相关的研究工作。为了揭示离心泵内部流 动的规律，及其外特性规律，本文采用数值模拟与试验研究相结合的方法，研究离心 泵内部流动趣律，为离心泵的设计和改进提供了一定的理论依据。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 系统概述了国内外学者在离心泵方面的研究成果及现状。 ( 2 ) 利用p m e i 维造型软件进行叶轮、蜗壳实体造型，并在g a i n b i t 软件中进行 网格划分后，导入f l u e n t 软件进行泵内流动数值模拟，并对结果进行了分析。 ( 3 ) 搭建了一套同时满足水泵外特性试验和p i v 测试要求的试验台，并在转速为 2 9 0 0 r m 工况下，进行水泵的外特性试验，得到了水泵的性能曲线，与数值模拟预测 结果进行对比，两者在总体上基本吻合。 ( 4 ) 利用p 技术，分别在o 4 、1 o 和1 2 倍设计流量的工况下，对离心泵叶轮内 部流场进行试验研究。测试窗口分别取在三个不同的叶槽中，在每个叶槽中选取两个 断面( 中截面和距离前盖板为5 m m 的截面) 。在测得叶轮内部的绝对速度矢量后，按照 速度三角形原理对绝对速度进行分解，从而得到了相对速度分量，对其进行分析，揭 示了叶轮内部流场的分布规律。根据试验结果可知，采用三维p i v 技术对离心泵内部 的流场进行研究是可行的，能够反映离心泵内部实际情况的三维流场，其研究成果可 为离心泵设计提供重要的参考。 关键词：离心泵；三维p i v ；数值模拟；内部流场 浙 i ：理工大学硕士学位论文 p i vm e a s u r e m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h ef l o wf i l e di na c e n t r i f u g a lp u m p a b s t r a c t w i t l l 龇p 枷c l ei m a g ev e l o c i m e 时( p ) r a p i dd e v e l 9 p m e n ti 1 1r e c e n ty e a r s ，i t sa p p l i e d 姗g eh 鹪b c c o m cw i d e l y p i vh a sb e c a m eai 【i n do fe 腩c t i v cm c 觚sf o rt l l ec o m p l e xf l o wf i e l d a i t l l o u 曲m a n yr e s e a r c ho ni r n 舱lf l o wo fc e l l t r i 凡g a lp 咖叩h a sb e e l lc a 币e do u t ，t h e r e a r es t i um a n yp r o b l 锄sd u e1 t 0i t sc o m p i e ) 【i t y i no r d e rt or e v e a lt h ec o n t r o ll a wo ft h e c 锄t r i m g a lp u m pf l o w ，ac o m b i n a t i o nw a yo f 姗m 嘶c a ls i m u l a t i o na n de x p 鲥m 锄t a lr c s e a r c h w a sa d o p t e di nn l i sp a p e r t h er e s u l t so ft l l er e s e a r c hp r o v i d es o m et l l e o 巧b a s i cf o rt l l ed e s i 印 a n do p t h i z “o no fc e n t r i 缸g a lp u m p t l l em a i nw o r ki so u t l i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e s e a r c hr e s u l t s 锄dt h es t a t u si nc 即t r i 血g a lp u 瑚【po ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g n s c h o l a r sw e r es u i n m a r i z e d ( 2 ) t h e3 dm o d e l i n gs 0 r w a r ep r 0 ew a su s e dt om o d e lt i l ei m p e u e r 锄dt h ev o l u t e a rm c s h 啦i i lt h eg a i l l b i t ，m em o d e l sw e r ei m p o n e di n t of l u e n t t l l e 姗m e r i c a ls 证m l a t i o n f o rm ew a t e rf l o ww a sc a r r i e do u t ，a n dt 1 1 er e s u l t sw e r ea n a l y z e d 。 ( 3 ) a ne x p e 湎e n t 。q u i p n l c mw a sd c s i 龋e da n db u i l tu p b a s e do nt 1 1 i se x p e r i m e n t i i e v i c e ，t h ep e r f o 肌a i l c eo f t h ep u m pw a sm e a s u r e da n dt h ei n c c m a ln o wf i e l dw a si l l v e s t 远a t e d b yu s 堍p 1 1 1 ep e 墒m a n c e c u r v ew a sa c q u i 捌a tn l ep u m pr o t a t i o n a ls p e e do f2 9 0 帅m t h es i n l u l a t e dp e r f b 瑚锄c ec u r v 铅o ft h ec 研向g a lp u m pw e r ec o m p a f e dw i t ht 1 1 e e x p e r i m e n t a lp 耐o r m a n c ec u r v e s t h es i i l m l a t e d r e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i mt l l e e x 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e f e 闻n c ef o r 廿l ec e i 】岫m g a lp u m pd e s i 乒 k e y w o r d s ：c 州m g a lp u m p ； 3 d - p l v ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：i n n e rn o wf i e l d l l i 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 离心泵是和国民生产生活联系最紧密的水力机械之一，在石油化工、轻工、疏浚、冶 金、城市煤气输送、水利、土木、环 ；i 、航空航天等领域均有广泛应用。 相对发达国家而言，我国泵行业还比较落后，很多产品依旧是采用前苏联时期的一维 管流试验数据和一些经验公式，依照定常流动来进行设计。近年来人们意识到要提高泵的 效率、增加工况范围并且增强安全稳定性重要性，所以，对离心泵的内部流动情况和能量 损失机理进行更加深入详细的认识和研究是很有必要的。离心泵在水力机械应用比较广 泛，对其内部流动进行研究分析，为改进其设计方法提供一些理论依据。但我国对离心泵 内部流动机理的研究起步较晚，因此在这方面做的工作与发达国家相比还存在一定的差 距。 现在普遍采用实验测试方法、理论分方法和数值模拟方法这三种方法来研究离心泵内 部流动规律。在实验测试技术方面，随着计算技术和其他一些相应的技术迅速发展，不仅 显示图像的质量有所提高，而且数据处理的速度和精度也大幅提高，逐渐形成了以粒子图 像测速、激光诱导荧光等为代表的新一代流场测量技术。利用这些相应的技术能够解决以 前不能测量的一些瞬态流场问题，并且测量结果比较准确。而在数值模拟方面，随着计算 机技术的飞速发展和计算流体力学( c o i n p u t a t i o n a lf l u i dd y n a i i l i c s ，c f d ) 的进步，经典 流体力学中的一些近似计算法和图解法逐渐被替代，复杂流动的数值模拟也越来越准确， 模拟精度也越来越高。本论文主要应用计算流体力学仿真软件f l u e n t 来分析离心泵内部流 动情况，并采用粒子图像测试技术( p a n i c l ei m a g ev e l o c 砥时，p i v ) 对离心泵内部流场 的分布情况进行测量。通过对离心泵内部流动的实验测试与数值模拟对比研究，进一步认 识了离心泵内部流动的流场结构和能量损失机理，这将有助于改善离心泵的整体设计，进 而提高离心泵性能。 粒子图像测速技术( p ) ，从2 0 世纪7 0 年代末开始发展起来的，固体散斑法为其发展 提供了很好的发展条件。粒子图像测速技术不与测量流场截而相接触也能够测量截面上的 速度场，这样就不受单点测量的限制，并且测量精度比较高。粒子图像测速技术( p ) 与激光多普勒测速仪( l d v ) 相似，不管是物理测量体积还是测量精度都与l d v 相当。p i v 技术测速范围比较大，它能够测量流速为每秒毫米的流场，也能够测量流速为每秒几百米 l 浙江理工大学硕士学位论文 的流场。 粒子图像测速技术( p ) 不仪仪局限于测量截面二维速度场，对流动三维切面的测 量已经成为其发展的趋势。 利用粒子图像测速技术( p ) 对离心泵内部的流速场，选择不同方位的窗口进行测 量，可获得离心泵叶轮全叶槽内的速度场。定量了解叶轮内部实际液流运动情况，对改进 和完善离心泵的设计方法，提高泵的性能有着重大意义。 1 2 离心泵内部流动计算的研究现状及发展趋势 1 2 1 数值模拟的基本思想 数值模拟的基本思想为：一些连续物理量被一系列有限个离散点所代替，这些离散点 按照一定的规则来建立离散方程，根据建立起来的代数方程去求所需要的变量值，该值求 解出来的值是个近似值。数值模拟的基本思想可以用图1 1 米表示【l l 。目前已经有很多种数 值解法，它们主要的区别在于代数方程求解的方法及方程的离散方式。有限容积法、有限 差分法及有限单元法在流动计算中应用比较广泛。 建立控制方程 确定初始条件及边界条件 划分计算网格，生成计算节点 建立离散方程 离散初始条件和边界条件 给定求解控制参数 求解离散方程 解收敛否、 查 显示和输出计算结果 图1 1 物理问题数值求解的基本过程 本文采用的是目前分析流动问题的数值计算中应用最广泛的一种方法一有限容积法。 2 浙江理工大学硕士学位论文 用该方法可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数的物理意义也比较明确。 1 2 2 离心泵内部流动数值模拟研究现状 近年来，对离心泵内部流动进行数值模拟研究的文献比较多，依据对离心泵研究内容 的不同，可以分为以下几个部分： ( 1 ) 叶轮与蜗壳内部的耦合流动分析 随着计算机的发展，现在可以对离心泵进行全流场数值模拟。在对离心泵进行全场模 拟时定义边界条件还是比较容易的，通常进口边界条件设为速度进口边界条件，而出口边 界条件一般用自由出流或压力边界条件；有些文献的进口边界条件和出口边界条件分别采 用压力、质量流量为其相应的边界条件。j d h k e l d c 一、b p m v 锄e s c h f 3 】把蜗壳与叶轮耦 合起来，通过计算其在不同流量下的流场分布情况，依据数值模拟的结果将不同截面上的 压力和速度的计算值与实验值进行了比较，计算值与实验值基本相吻合。d a n i e lb a 岫【4 】为 了获得叶片表面压力的分布情况和在不同流量下叶轮流道各个不同位置的速度分布情况， 采用试验与数值模拟相结合的方法来分析上述各种具体情况。在通常情况下，速度、压力 的计算值与实验值吻合情况都比较理想。通过研究可以得到，压力分布情况受到隔舌与叶 片间的相对位置的影响，在叶轮圆周方向上的静压和速度变化比较大，该研究可以证明对 离心泉内部流动数值模拟运用叶轮和蜗壳的耦合流动的方法是比较合理的方法。 ( 2 ) 变工况情况下对离心泵性能的预测 朱保林【5 1 分析了流量对离心泵的效率、扬程和轴功率的影响情况，通过改变叶轮进u 速度来改变流量。把数值模拟数据和实验数据进行对比分析，可以得到扬程的计算值与实 验值在小流量和大流量工况时，两者相差还是比较大的。由计算数据得到的厚q 曲线这与 实际情况不相吻合。z h a ob i n j 啪等【6 】在变工况下对离心泵进行研究，在忽略圆盘摩擦损 失和容积损失情况下对离心泵内部流动进行研究，研究结果表明，其扬程的试验值比计算 值低1 0 ，并月计算出该离心泉的效率，把试验值与计算值进行对比，试验值比计算值大 约低1 4 。 ( 3 ) 非定常流动分析 假设离心泵内部流动为定常，进行数值模拟研究的结果与实际流动情况还是存在一些 差别的。j o s eg o n z a l e z 等【7 】为了更加真实地揭示离心泵内部流体的实际流动规律，采用标 准七一s 湍流模型对离心泵内部流动分布进行了深入的研究，在数值模拟时是采用非定常流 动的方法来对对离心泵内部流动进行研究，把计算结果与实验结果进行了对比分析，可得 3 浙江理工大学硕士学位论文 到在大部分情况下，计算流场与实际流场分布情况基本吻合。 1 2 3 离心泵内部流动数值模拟发展趋势 目前主要针对下几个方面来改善对离心泵内部流动数值模拟的研究方法： ( 1 ) 湍流模型选择。现在不仅仅是采用标准七一s 湍流模型来对离心泵进行数值模拟， 考虑离心泵叶轮旋转和叶片的曲率对离心泵内部流动影响，应该去寻找更加适合离心泵内 部湍流计算的模型与标准j i 一s 湍流模型进行结合起来对离心泵内部流动进行计算。 ( 2 ) 优化设计。研究离心泵内部流动的最终目的就是为了实现对蜗壳及叶轮的优化 设计和对复杂空间中流动的最优化控制。开发离心泵的辅助设计系统，把最优化的理论与 c f d 软件相结合，这样可以人人缩短离心泵的设计开发周期。 ( 3 ) 网格生成质量。网格包括结构网格、非结构网格、单链域与多链域网格及自适 应网格等，要想使计算结果精确计算效率比较高，那应该提高网格质量。 ( 4 ) 向量化及并行算法。为了提高数值模拟精度和准确性，就要相应的增加计算数 据量。因此，数据计算量将会越来越庞大、计算时间也比较长。随着计算机技术的迅速发 展，实行计算机系统的向量化及并行计算，这样有利于提高计算效率。 1 3 离心泵内部流动实验研究现状 对离心泵内部实际流动分布情况了解，有利于进一步提高离心泵的性能。近几十年来， 随着热线风速仪、激光测速仪、速度与压力探针等测试仪器都应用到离心泵内部流动测量 领域，测量离心泵内部流动的实际情况相对比较徉易【8 】。 1 9 2 8 年内丸1 9 】测量出离心泵各个叶片表面压力分布的具体情况。1 9 5 7 年a c o s t a 和 b o w e n i l a i l m 【1o 】对一利，特殊的离心泵进行了研究，该离心泵是带有对称蜗壳的闭式叶轮， 他们的主要研究方法是固定叶轮出口角，而叶轮进口角进行对称的变化，通过研究发现泵 的进口角对功率、叶片上的压力分布和扬程影响比较大。1 9 7 3 年m o o r e 【】提出了射流一 尾迹计算模型，他采用一个能旋转的水槽来模拟离心泵内的流动分布规律，研究了二次流 和旋转对离心泵内部流动的影响。1 9 7 6 年h o w a r d 【1 2 】等运用热膜技术分别测试了半开式叶 轮和闭式叶轮的旋转叶槽的内流速分布，发现叶片的几何形状、粘性力和科氏力的作用对 叶槽内主流影响比较大，在叶槽中分离流动现象比较少，总体而言，比较均匀稳定。 激光多普勒测速仪( l d i v ) 被人们广泛来探测离心泵叶槽内部流动的分布规律。1 9 7 6 年e c h a r d t l l 3 l 为了研究高速泵的叶轮内部流道在靠近轮盖处吸力面是否存在低能流体漩 4 浙江理工大学硕士学位论文 涡，他首次利用当时比较先进的l a 测量技术对高速泵进行测量。1 9 7 9 年a d l 一1 4 】等采用 激光多普勒测速仪对后弯直叶片闭式叶轮进行了测试试验，根据测试试验结果得到该泵在 出口处有尾迹存在。1 9 8 7 年c ph a l 】 1 l 【i i m 【1 5 l 等为了得到泵叶槽内部径向和轴向分速度沿 叶轮圆周方向分布情况，利用了二维激光多普勒测速仪对泵叶槽内部流动进行了相关的试 验研究。1 9 8 8 年m i l l e r a l 【16 l 等研究了叶槽流动受到蜗壳的影响。1 9 9 2 年c a d 0 1 7 1 等为了研 究蜗壳与泥浆泵中的二相流动，他们所采用的方法是二维激光多普勒测速技术对泥浆泵进 行比较详细的研究。1 9 9 4 年a b r 锄i a n 【1 8 】等用一旋转二维激光多普勒测速仪系统对离心泵 叶槽流动进行研究，研究结果表明离心泵内部流动受势流涡漩影响比较大。 1 9 9 9 年，张武高【l9 】等为了获得蜗壳内部的压力分部是否影响蜗壳内部速度分布，利用 激光多普勒测速仪分别测量了2 3 、6 0 和1 0 0 设计流量工况下矩形断面离心蜗壳内的 速度场，通过实验证实了蜗壳内的速度分布会受蜗壳内的压力分布影响。刘超【2 0 l 采用双焦 激光流速仪在三个不同方位窗口并且选择三个不同的工况，其流量分剐为设计流量的0 3 8 、 1 o 和o 7 。由测量实验结果可得，在叶片吸入处存在脱流现象；在设计工况下，整个叶轮 各叶片问的流速分布也不是对称的；在非设计工况会有二次流产生。王正刭2 ”等利用t s i 二维l d v 探测离心泵叶槽流场，通过研究发现了实验泵叶片压力侧出现了比较严重的回流 现象。李文广【2 2 2 3 】等采用激光多普勒测速仪( l d v ) 在最优和小流量工况下测量了配带蜗 壳的闭式叶轮内部流场分布规律，该泵的出口角、包角和圆周速度分别为2 0 度、1 4 0 度和 1 4 7 1 1 1 s ，通过试验结果讨论了试验泵相对速度在叶轮内的变化规律。 自2 0 世纪8 0 年代初以来，国内外的学者开始研究各种定量流动显示的方法和手段；同 时，随着科学技术的发展，流动显示技术结合光学、图像处理及计算机技术，采用这些技 术不但可以定性的对所获得到的流动进行定性分析，而且可以对所获得到的流动进行定量 分析。粒子图像测速技术( p i v ) 既有单点测量技术的分辨率和精度，又能获得流动显示 的整体结构和瞬态图像，该技术是随着计算机技术、图像处理技术发展起来的新型测量技 术，其被广泛应用于流体机械内部复杂流动的测量。1 9 8 8 年p a o n en f 2 4 】等利用2 沪p i v 对离 心泵内部流场进行了测试，通过实验结果得到离心泵内部流场的分布规律。1 9 8 9 年p a 伽e n 【2 5 l 等为了验证l d v 对离心泵的无叶片扩散器在不同工况下的切向速度和径向速度测试结 果，他们采用二维p i v 对该离心泵进行测试，把二维p i v 测试结果与l d v 的测试结果进行对 比分析，同时还得出相对速度场和涡量场。在1 9 9 2 年至1 9 9 7 年期间，j o l l l l sh o p k i i l s 大学的 d o n gr ，c h us ，k a t zj f 2 8 】用粒子图像速度技术( p i v ) 为了得到离心泵蜗壳内的速度分 布，他们采用粒子图像速度技术对离心泵进行测速，由测试结果计算出压力场，并且研究 浙江理工大学硕士学位论文 了叶轮与隔舌间隙对流的非定常性的影响。a k i no 和融k w e ud 【2 9 】在1 9 9 4 年期间，粒子 图像测速技术( p ) 对径流泵系统中的尾迹非定常结构、涡量场及流动的分离和尾迹与 叶片相互作用进行了研究。1 9 9 4 年s h 印h e “3 0 】等用粒予图像测速技术来研究轴流风机和离 心风机内部的流动。1 9 9 5 年朱宏武【3 l 】等测量了离心泵扩散段第八断面和隔舌附近两种t 况 下的内流场。1 9 9 6 年o l d e l l b u r gm 和p a pe 【3 2 悃粒子图像速度仪对蜗壳和离心泵叶轮内流场 进行了测量。1 9 9 6 年l b t l l l u b b e 塔【3 3 】等为研究当粒子浓度比较低时用粒子图像速度仪测试的 结果是否可靠，研究发现用粒子图像测试技术时示踪粒子的浓度不能太低否则测试结果不 可靠。1 9 9 7 年- t i s s e r a l l t 和b r e l l g e h n a i l s 【3 4 l 采用粒子图像测速技术( p i v ) 测量了亚音速轴流 风机内的流场，试验存在很大的粒子的相关性变差，这是由于粒子对超出片光源平面所弓l 起的。1 9 9 8 年焦传卧3 5 1 、许洪元f 3 6 】等用p i v 研究了离心泵流场中固体颗粒( 橡皮泥、沙子和 核桃壳) 运动。1 9 9 9 年和2 0 0 0 年s i l l l l am 1 3 7 弓8 】等采用粒子图像测速技术( p ) 研究叶轮与带 有导叶的扩散器相互作用，试验测得绝对速度场，这个些绝对速度场由五个不同方向的速 度组成，并且分析了相对速度。2 0 0 1 年李刹3 9 1 等采用粒子图像测速技术( p i v ) 对封闭式 水泵吸水池进行的流场测量，发现水泵吸入管旁边存在复杂的漩涡，整个吸水池内部的流 动状态是比较复杂的。2 0 0 4 年c h o iyd 【4 0 】等用p i v 分别测试了6 叶片径流叶轮和4 叶片后弯 叶片叶轮内的流场。目前粒子图像测试速度技术作为一种可靠的整体测量技术，已获得大 家的认可。目前大家对叶轮内旋转流动特性的测量，多数研究工作只停留于二维测量，并 且多数只是对离心泵进行研究。由于叶轮轮盖的透明度、相对位置要求等等因素，三维p i v 测量相对来说比较困难，实验难度比较大。 1 4 论文主要研究内容及组织结构 ( 1 ) 用计算流体动力学软件对离心泵内部流动情况进行数值模拟，并分析了不同工 况下内部流动的差异性，获得了离心泵各过流部件内的流动特性。 ( 2 ) 设计搭建同时满足离心泵外特性试验和p 试验的试验台。 ( 3 ) 对实验泵进行外特性试验，并分析对比外特性试验和数值模拟计算结果，两者 在总体上比较吻合。研究结果为离心泵的优化设计提供了一定的理论基础。 ( 4 ) 应用粒子图像测速技术( p i v ) 对离心泵叶轮内流场进行了三维p i v 测试试验， 从而得到粒子散点图，得到了叶轮内相对速度矢量图以及出口处相对速度变化规律，并且 对p 测试进行误差分析。 论文的组织结构： 6 浙江理工大学硕士学位论文 第一章介绍了本课题的研究背景和意义，阐述了国内外对离心泵内部流动计算和实验 研究现状。 第二章介绍了试验装置、p i v 测试系统及模型泵的各个参数。 第三章采用f l u e l l t 软件对离心泵内部整个三维流场，在不同丁况下分别进行了定常湍 流计算，并分析了不同工况下内部流动的差异性，获得了离心泵各过流部件内的流动特性， 在数值模拟的基础上，得到该离心泵的性能曲线，并与试验性能曲线进行对比，两者在总 体上比较吻合。 第四章应用粒子图像测速技术( p ) 对离心泵叶轮的不同叶槽内流场进行三维p 测 试试验，分析得到了叶轮内相对速度矢量图变化规律。 第五章为全文总结与展望，提m 下一步的研究工作目标。 1 5 本章小结 本章主要介绍了课题研究的背景和意义，阐述了国内外对离心泵内部流动计算和 实验研究现状，介绍了目前研究这些问题的方法，并应用数值模拟和二三维p i v 试验的 方法对离心泵内部流动进行研究，最后确定了本论文的研究内容和技术路线。 7 浙江理上大学硕士学位论文 2 1 试验装置设计 第二章试验装置与p 测试系统 2 1 1 试验装置基本要求 在搭建试验台过程中，考虑到离心泵内流动p i v 测试的特殊需要，特要求满足以下 条件： 试验管路及其部件( 包括储液罐、流量计、阀门、泵体等) 不能因为生锈而使得 试验液体混浊，导致p i v 测试无法进行： 能对激光片光源、c c d 摄相机、实验用泉进行准确定位； 能容易地进行t 况调节并且能够准确测定流量、扬程、转速、转矩； 能够容易地排除整个毹；路中的汽泡： 能方便地向储液罐r f l 撒播示踪粒子： 尽可能地减小机组震动。 考虑到以上6 个基本要求，整个试验台设计成闭式试验台，如图2 1 所示，为防止试 验台腐蚀生锈影响最终试验结果，整个管道及储液罐都采用刁i 锈钢制造，进口端的管道、 叶轮和蜗壳都用有机玻璃材料制成；离心泵外特性试验数据的采集、试验数据的处理和试 验台的运行都山计算机控制完成。 图2 1 离心泵试验台 浙江理工大学硕：i ：学位论文 2 1 2 测试仪器 水泵的性能参数测试主要包括：水泵轴的输入转矩、水泉的转速、水泉的进出口压力 和流量等参数。转矩转速测量仪型号和精度分别为j w 3 和0 1 级。该转矩转速测量仪是 湖南湘仪动力测有限公司生产的。j w 一3 扭矩仪微处理器采用德同i n f i n e o n 公；i c l6 6 系列1 6 位单片机，该仪表功能丰富，图2 2 为抖i 矩仪实物图。 图2 2 扭矩仪 j w 3 扭矩仪- t 要性能特点： 可以在f 转和反转两种情况下进行调零； 在调零时根据实际情况u 1 以选择单点调零或全程调零： 最快采样时间为l m s ； 具有三路模拟输入：快速存储扭矩、转速、并同步存储： 最大存储数据量为2 0 4 8 并且具有i 种方法启动快速存储： 具有超限声光报警： 模拟输入能适应0 5 v 和1 5 v ( 4 2 0 所么) ； 根据实际情况可以选择串口通讯方法和数据格式。 采用s f t b 型数字式智能流量转速测量仪进行流量测量，本仪表具有精度高、实时 响应速度快、操作简便等优点，该仪表设有r s 2 3 2 串行数据标准接n ，可以与计算机进 行通讯，图2 3 为钭能流量转速测鬣仪实物图。 9 浙# l ：理_ l 大学硕士学位论文 图2 3 智能流量转速测量仪 s f t - b 型数字式智能流量转速测量仪技术特性： 输入信号：感应法则转速f 5 0 0 0 h z ，信号幅值l 1 2 v ； 测量范罔：流晕0 9 9 9 9 9 立办米j 、时；转速：6 0 3 0 0 0 转分钟； 显示方式：流毓、转速各矗位显示： 输出接口：采用r s 2 3 2 串行数据标准接口，波特率为2 4 0 0 ； 进出口压力的测量采样p hb 掣智能压力测量仪来进行测量，该仪表配接4 2 0 ，州输 出的压力变压器，n j 以测量显示进口和出u 两个通道的压力，单位_ 口j 在m p a 、k p a 和p a 之间任意切换；仪表测量精度o 1 ，配有计算机并行接口和r s 2 3 2 接门，进出u 握力 传感器如图2 4 所示。 图2 4 进出口压力传感器 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 电机采用普通y 系列三相异步交流电动机。电机额定功率为2 2 k w ，效率为8 1 0 ， 转速为2 9 0 0 巾m ，功率因素为o 8 5 。 电磁流量计的正确安装对流量的测量以及电磁流量计的正常运行都极为重要。一般厂 家规定的智能电磁流量计的安装要求必须要满足如下条件： 流量计前直管段应保证前5 d n 、后2 d n 的要求。 介质流向与流量计标志的流向必须一致。 垂直或水平安装方式应保证流量计在介质满管的情况下工作。 2 2 模型泵 2 2 1 设计参数 模型泵的主要参数见表2 1 。 表2 1 离心泵的主要参数 其叶轮结构尺寸如图2 5 所示。 图2 5 叶轮结构图 浙江理工大学硕士学位论文 2 2 2 试验泵特点 试验模型泉由透明亚克力材料制作，如图2 6 所示。考虑到激光的折射率问题， 把蜗壳设计成内圆外方的形状。 进u 管采用特殊的设计形状，自利于相机拍摄，进卅u 管也均由透明亚克力材料 制作。 2 3 三维p i v 测试系统 ( a ) 叶轮 2 3 1 三维p i v 基本原理 图2 6 试验泵 ( b ) 蜗壳 p i v 技术的基本原理是：在所需测量的流体中添加合适的示踪粒了，使所需要测每流 场的所有区域都在激光片光源的范围之内，当连续两次曝光时，c c d 相机把示踪粒子的 图像记录下来，i 己录的数据传输给计算机，根据相应的情况，采用一些相关的算法来处理 c c d 相机所记录的图像，从而把所需测量流体中各点速度矢量场计算出来，同时也能把 速度矢量图、涡量图、流线图等图显示出来。从广义上来讲，p i v 技术是在所需要测量的 流体中添加合适的示踪粒了，通过示踪粒了的图像来测量所需要的流体速度的方法【4 。 浙 i ：理j 二大学硕士学位论文 七2 时刻粒子a 的影像 影 ，j i 陵二j 斟 j v _ 1， u 一 ) ( 、 y 2 ) 图2 7p i v 基本原理示意图 如图2 7 所示，测量列踪粒子图像在，这段时问内在x 轴和y 轴方向上所走过的位 移分别为鲥、y 。为丫满足p i v 的要求，此时的位移必须足够小，当位移足够的小时， 舣f ( y ，) 的值才能近似为速度u ( v ) 的值。换句话说，示踪粒子运动的轨迹应该 足接近丁直线，并h 沿着j 踪粒子运动轨迹的速度基本可以认为是恒定的。这些条什可以 通过改变，的值来达到，f 的值应该和受精度约束的拉格郎口的泰勒微，t 度人小差不多 大【3 4 】。通过处理示踪粒子a 住厶和f ，时刻照片，i 的位置，按下式即可获得粒子a 的速度： “= 恸等= 脚等 2 羽， l _ 7 2f 2 一l l a ，- + 0 n v = j 姊等= 脚等 2 ( 2 ， 归懊嚣。脚蓄 2 ( 2 ) 通过l 述公式2 一( 1 ) 和式2 一( 2 ) 可以把示踪粒子a 的速度计算出来，依次按照这样的处理 方法可以获得整个流场的速度场。 二三维p i v 技术是在二维p i v 技术基础上发展起来的，结合体视摄影耻论和根据不同 视角的_ 维信息，重新建立起空问i 维位移。小论文使用的软件是基于上述基小原理 转化为下列方程组： 浙江理工大学硕士学位论文 出l = 锻m e x 弧。七吗岫d 亡y j + 吗岫d 亡zj 西= 锻删亡蝥等阳o 甜删d e 蝥) 瑚鲫d 亡蝥o 出r = 积删e x h h ，+ 谴子y 乱。讹舢m z 。) qu 由r = 般蛳d 亡x m i ) + 鸣谢，+ 吗濉o z 抵) 式2 - ( 3 ) 中，凼左相机在x 轴上的位移； 幽左相机在y 轴上的位移； 啦右相机在x 轴上的位移： 机右相机在y 轴上的位移； 拐删流体在x 轴上的位移； d 耐流体在y 轴上的位移； 比砌肼流体在z 轴上的位移； 在做p i v 测试试验之前就得通过做标定来确定? 名0 蹦等1 2 个测试图像的位移相 对流体位移的梯度，从而来获得具体标定点处示踪粒子的位移量，由于激光两次曝光时间 问隔在做试验时是确定的，从而根据以上公式来计算三维速度流场的大小，因此得到片光 源照射的片光源的三维速度场。 2 3 2p i v 系统结构 p i v 系统一般包含四个主要部分：光学照明系统、同步控制系统、图像记录系统和图 像处理系统。如图2 8 所示。 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 计算机 图2 8p i v 系统的组成示意图 光学照明系统：提供光源，照明流场，一般采用激光光源，该光源需要片光源。本实 验- i ，采玎的激光片光源是美国t s i 公州牛产的n d ：y a g 激光器，n d ：y a g 激光器能发射 频率为1 0 h z 或5 0 h z 的连续脉冲激光，其波长为5 3 2 n i n ，脉冲宽度为1 5 n s ，能量为1 5 0 m j 。 采川c c d 摄像机记录两帧p i v 图像，其采用频率为1 4 5 h z ，两帧图像之问的脉冲延迟为 l 到5 m s ，采集的图像大小为1 2 8 0 像素1 0 2 4 像素。要使激光发生器发射出来的激光为 片光源，这时需要一组柱面镜和球面镜，见图2 9 。光臂足用来传输激光片光源的，通过 该变光臂的方向可以使片光源照亮到所需要的p i v 测试区域范围之内。光臂系统示意图 如图2 1 0 所示。 球透 柱透镜 图2 9 光学元件产生片光源原理图 1 5 浙 l ：理j 二大学硕士学位论文 图2 1 0p i v 光臂系统示意图 同步控制系统是主要数字同步脉冲发生器，其由同步分离器、计数器、e p r o m 只读 存储器、缓冲器、触发器、编程器等几个部分构成。刚步分离器从来自c c d 的视频信n f i j 分离出行同步信号和奇偶场同步信号，计数器从每个。帧图像的第行同步脉冲开始汁 数，由数宁脉冲控制的编程器，根据试验中所要求的脉冲形式