基于高速摄影技术的迷宫流道流场特性分析.pdf

1 0 FL UI D MACHI NERY Vo 1 3 8 No 9 2 01 0 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 0 0 9 0 0 1 0 0 5 基于高速摄影技术的迷宫流道流场特性分析 王海民 蒋旭平 李海 上海理工大学 上海2 0 0 0 9 3 摘要 根据高压调节阀在实际运行工况中压降要求 运用流体力学相似理论的基本原理设计出满足工况 不同结构 的串 并联迷宫流道模型 并建立了可视化试验系统 运用流动显示技术将内部流场以直观的图像形式展示出来 并对 流动图谱进行采集 通过对流动图谱的处理和分析 得到了串 并联迷宫流道的速度分布 绘制迷宫流道内部流场的速 度分布图 同时对速度分布的特点给予详细阐述 探明了迷宫流道内易汽蚀部位 对典型漩涡区进行了整体效果分析 关键词 高压调节阀 迷宫式流道 流场 可视化 中图分类号 T E 9 7 3 文献标识码 A d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 t 0 0 9 0 0 3 Vis ua l St ud y o n t he Fl o w Ch a r a c t e r is t ic o f La by r in t h Cha n ne l in Hig h Pr e s s u r e Re g ul a t i ng Va l v e WAN G Ha l min J I ANG Xu p in g L I Ha i U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c ie n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e h ig h p r e s s u r e r e g u l a t in g v a l v e in a c t u a l o p e r a t in g c o n d it io n s o f t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e d r o p r e q u ir e me n t s t h e s imil a r it y t he o r y a n d t he b a s ic pri n c ip l e s o f flu id me c ha n ic s a r e us e d t o de s ig n t h e l a by ri n t h c ha n n e l mo de l c o n n e c t e d in s e ri e s a n d in pa r a l l e l t o me e t t he o p e r a t in g c on d it io n s Th e y a l s o a r e us e d t o s e t up a v is ua l t e s t s y s t e m Th e d is p l a y t e c h no l o g y is u s e d t o t h e s t u d y t h e in t e r n a l fl o w fi e l d b y v is u a l ima g e s T h e fl o w p a t t e r n s a r e a l s o c o l l e c t e d B y s t u d y in g t h e fl o w p a t t e rn t h e v e l o c it y d is t ri bu t io n for s e r ie s a n d p ara l l e l l a b y ri n t h c h a n ne l a r e o bt a ine d The v e l o c it y dis t ri b u t io n o f flo w fie l d in l a b y ri n t h flo w c h a n n e l is s h o we d o u t t o s t u d y t h e c h a r a c t e r is t ic s o f v e l o c it y d is t ri b u t io n T h e u t mo s t p o s s ib l e e r o s io n p o s it io n s in l a b y ri n t h a r e p o int e d o u t Th e wh o l e e f f e c t iv e n e s s o f v o r t e x in t y p ic a l a r e a is a n aly z e d Ke y wo r d s h ig h p r e s s u r e r e g u l a t in g v a l v e l a b y ri n t h c h a n n e l fl u id fi e l d v is u a l 1 引 言 高压调节阀是锅炉给水泵再循环系统的重要 流量控制设备 其可靠运行将直接关 系到整个机 组的安全 而对高压调节阀最易汽蚀部件 迷 宫式流道进行研究 探明流道中的流动特性 进而 对流道的结构设计进行优化避免振动 噪声和冲 蚀的出现 则是高压调节阀结构设计 的关键 2 0世纪 9 0年代后期我国引进了国外先进的 最小流量调节阀 集控制和减压节流于一体 自动 化程度高 但 由于规模 技术 资金 成本 等条件 的限制 与现阶段工业企业对高性能阀门的需求 还有一定距离 对于高压调节 阀性能的研究 尤 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 2 8 基金项 目 上海市教委重点学科建设项 目资助的课题 J 5 O 5 O 1 其是节流降压特性的研究显得十分迫切 针对这些 隋况 国内大专 院校和科研院所 的 许多专家学者进行了大量的探索工作 张玉润等 多年来对调节阀流量特性对分流控 制性能的作 用 以及控制功能对节流能耗的影响进行 了许多 研究 j 彭领新 王惠雨 薛文武等做了大量设 计研究工作 建立了一些数学模型来预估调节 阀 的工作流量特性 5 杨杉 付卫东等根据调节 阀的流量特性 采用数学方法 对调节阀的流体参 数公 式进 行 了推 导 具 有 很 高 的 工 程应 用 价 值 j 王文然 张卫东 戴富林等也对影响调节 阀流量特性的因素 流量关系 变形特性等进行了 研究和探索 J 2 0 1 0年第 3 8卷第 9期 流体机械 以上研究主要集 中在对迷宫流道高压调节阀 外特性研究上 对其 内特性研究较少 内特性研 究主要是针对每个迷宫流道以及有多个迷宫流道 组成的迷宫盘的流动特性研究 根据高压调节阀 在实际运行工况 中压降要求 运用流体力学相似 理论的基本原理设计出满足工况 不同结构的串 并联迷宫流道模型 建立可视化试验系统 运用流 动显示技术将内部流场以直观的图像形式展示出 来 通过对流动图谱的处理和分析 研究 串 并联 迷宫流道的速度分布特点 探索迷宫流道 内易汽 蚀部位 并分析典型漩涡区的整体效果 2 迷宫流道模型 为了显示迷宫流道的内部流场 必须要对 串 并联模型进行可视化处理 使其不仅满 足可视化 试验的需要 而且能保证 良好的密封 将模 型进行表面发黑处理 同时根据试验 系 统压力的范围 确定玻璃盖板 的厚度为 1 0 mm 为 了避免由于太多螺栓而造成玻璃受力不均 在模 型与玻璃盖板 间加入硅胶垫 可以缓解压力并起 到面密封 的效果 对于玻璃盖板与模型的边缘 螺 栓孔之间采用硅胶密封 以确保试 验过程 中没有 介质漏出 可视化处理后的模型如图 1 所示 a 串联模型 b 并联 模型 图 1 可视化处理后 的串 并联模型 3可视 化试 验 系统 图 2示出试验系统是 由型号为 4 0 D G L 5 2 0 多级离心泵 L WG Y一 2 5涡轮流量计 迷宫流道模 型 测压测温装置 光路 系统 粒子 释放 回收装 置 图像采集系统和管路等组成 4 0 DGL5 2 o 多i堡盥i 泵L WG Y 一 2 5 涡流流量计 复 计 回收 装置 图像采集系统 表 光路系 迷 迷宫流道模型 图 2 日 视化试验 系统 3 1 光路 系统 光路系统是 可视化试验的重要部分 试验 中 采用 2台高效光源 采用亮域照明 通过侧光和补 光 的照明方式 并将光 源尽量布置另一光源的反 射光线上 以避免光线 直接反射人高速摄像机镜 头 同时结合高速摄像机 的成像效果 适 当调整 光路 将整个视场清晰地显示 并通过调节光源功 率来控制光 的照度以达到最佳 的照明效果 3 2图像 采 集 系统 图像采集系统是可视化试验的关键 可对后 期 图像特性定性 定量的分析和处理提供直观的 判读方式 试验 中采用 R E D L A K E X一3高速摄 像机 其结合了帧率性能和超强敏感性 采用最新 的千兆以太网以及 U S B 2 0接 口 拍摄速度在 3 O 1 0 0 0 f p s 全幅 1 0 0 0 6 4 0 0 0 f p s 分幅 分辨 率最高为 1 2 8 0 X 1 0 2 4 p ix e l s 触发信号可 电脑触发 也可人工手动触发 快 门速度最快可达 1 I x s 具有 F型和 c型镜头接 口 还具有视频直播持续监测 功能 可输 出 T I F F B MP A V I M P G P N G MP T等 影像格式 相机在拍摄过程 中将扑捉到的图谱暂 存在其 自带 的 4 G高速 内存 中 最后将图像存储 在计算机硬盘内 3 3示踪粒 子 在本文可视化试验 中 采用聚苯 乙烯微粒作 为示踪粒子 通过对其 内部结构改造使其密度控 制在 1 0 3 1 0 5 k g IT I 满足跟 随物 的密度与介 质密度接近 以避免 由于密度 的差异过大而导致 1 2 F LUI D MACHI NERY Vo 1 3 8 No 9 2 01 0 沉降作用影响较大 进而导致示踪粒子的跟随性 变差 同时还要满足粒子的尺寸应足够小 以忽 略示踪粒子对流体的干扰效应 粒子平均粒径为 4 0 0 5 0 0 1a m 固定相 白色聚苯乙烯微球 3 4 摄像 参数设 定 试验中的全流场显示选用f 2 5 mm的镜头 此时物距 s 为 9 1 0 mm 对局部流场拍摄时选用厂 5 0 m m 的镜 头 通 过 调 整 视 场 大 小 使 物 距 为 9 3 0 m m 同时 通过试验验证 并对个别参数进行 修正 见表 1 表 1 模型全流场摄像参数 粒子速度 拍摄速度 采集 采集 曝光时 类型 范围 m s f p s 图幅 时长 s tx s 串联模型 1 5 4 5 3 9 1 0 1 2 3 2 6 3 1 5 2 1 0 0 4 5 8 5 3 9 1 0 1 2 3 2 6 3 1 5 2 9 0 并联模型 2 4 2 8 0 0 7 5 5 0 3 1 7 2 2 1 0 4 7 23 8 O 7 5 5 O 3 1 7 2 l 9 o 4 试验结 果分析 4 1 速度分 布及其 变化 通过粒子示踪法对全流场显示 图 3示 出漩 涡区的分布位置 图4 5 示出局部流场的各个截面速度的测量 结果 可以看出串联流道模型中的速度明显高于 并联流道模型中的速度 这是由于并联流道模型 双流道的分流导致其速度明显降低 其次是并联模 型流道相对于串联模 型流道 其流道内部较为狭 窄 在第 1 弯拐处形成的漩涡经下游弯拐的多次阻 碍作用而破碎 没有挤占流道所致 而串联模型流 道 由于其入口后弯拐距离较远 且流道尺寸逐步扩 大 漩涡随流动逐步向后推移 进而使得测速截面 流道变窄 介质通道面积减小 速度增大 图 3 串 并联流道模 型示踪粒子法全流场显示 图4 串联流道模型各检测点速度分布 截面位置 m m 图 5 并联流道各 测检测点速度分布 4 2涡 流分析 选取 Q l 4 3 m h Q 2 5 4 m h Q 3 6 5 m h 3个工况 对 串 并联流道模型中形成漩 涡区较大的弯拐下游附近进行分析 通过对局部 流场的采集 选取 2 0张瞬态流场图进行叠加 并 将分析结果体现在全流场 中 将漩涡区的变化给 以清晰的定位 从中可以明显看出漩涡的范围和 涡心的 位置 下 面将 测 量得 到 的漩 涡位 置 以 C A D图形的方式描述 见图 6 8 图中均以流道 模型出口的下边界为坐标原点 通过对以上 3种工况下漩涡的对 比发现 漩 涡中心位置基本保持不变 这跟迷宫流道直角弯 拐的结构设计有关 使得漩涡区集中于弯拐下游 位置 也使得该 区域成为迷宫流道内最易汽蚀 的 部位 随着流量增大 流速升高 漩涡的区域逐步 向后延伸 漩涡的后缘不再 圆滑而是趋于直线形 状 并且向后延伸挤 占介质通道 导致该检测点流 速明显升高 通过对速度和漩涡 区的分析 可以 清晰地看到 在迷宫流道 中存在 的漩涡区和主流 2 0 1 0年第 3 8卷第 9期 流体机械 1 3 区 2个主要的流动特性 漩涡区和主流区是迷宫 流道最主要的特征 随着流量 的改变 主流区和漩 涡区相互挤 占 出现 了主流区的边缘就是漩涡区 的外部这种现象 告 一N 12 17243 6445 合 l 一 l 出 口 出 口 图 6 Q 4 3 m h时漩 涡位置 涡 b 03 4 6 3 7 6 2 1 涡 12 2 6 5 6 3 7 5 6 5 Q 垒 圣 墨 垒 也 涡 12 2 3 3 5 1 6 i 3 3 图7 Q 5 4 m h时漩涡位置 涡一 12 1 3 2 1 8 7 3 64 涡 12 2 6 5 5 6 7 5 5 12 1 6 9 9 6 3 6 2 2 4一 2 1 2 涡 12 2 3 3 4 3 6 i 1 8 图 8 Q 6 5 m h时漩 涡位置 人 口 口 对于并联流道模型涡流的分析同样采用瞬时 图像 的叠加法进行 漩涡区的位置如图 9 1 1 所 示 由于流道布置的对称性 选择 图中对应位置 中的一个来分析 出 口 出 口 涡一 12 9 2 4 6 7 8 涡心 1 1 4 2 4 5 6 一 涡心 1 3 0 4 3 8 0 涡 12 7 6 2 1 4 0 涡 g 9 3 0 6 1 0 图9 Q 4 3 m 3 h时漩涡位置 出 口 出 口 心 9 7 4 4 6 5 涡心 1 1 3 6 4 5 6 5 4 l 二 n 广 弋 0 1 2 7 9 涡 12 7 5 5 9 4 0 涡 12 9 3 0 6 1 O 图 1 0 Q 5 4 m h时漩涡位置 涡心 6 7 4 7 1 涡一 12 1 1 4 5 5 6 3 2 一 涡心 l 3 0 6 4 涡 12 7 6 2 4 3 9 8 7 涡 12 9 3 2 6 9 7 8 图 1 1 Q 6 5 m h时漩涡位置 结果表明 由于迷宫流道直角弯拐的结 构设 计 使得弯拐下游附近形成粒子聚集的低压区 且 由于并联流道的分流作用 使得速度大幅降低 从 而在第 1 弯拐处形成 的漩 涡区没有 向下游发展 但在下一弯拐处 由于弯拐的局 部阻力作用使流 动介质形成新 的漩涡 速度的降低 也使得粒子 与流道 内壁的分离点 向下游推移 这也直接抑制 了漩涡区的发展 由图可见 涡心的位置基本保持不变 横坐标 的变化比率为 0 2 1 0 8 6 纵坐标的变化率 为 0 3 2 2 2 随着流速的增大 各漩 涡区的 范围没有显著变化 流动介质 以破碎的小漩涡在 流道 中运动 漩涡区相互衔接 小漩涡成 为并联 流道的主要特征 相对于串联流道模型 并联流道的主流 区包 含小漩涡 主流区受漩涡区的干扰明显 且这种破 碎 的漩涡分布在第 1 弯拐后的各个 区域 5结论 1 在高压差下 采用串 并联结合的迷宫式 流道可满足稳定节流 的要求 串联 流道模型速度 高于并联流道模型 可有效降低压力 同时可将涡 流的发展向后推移 延缓漩涡扩散 相对于串联流 道模型 并联流道模型的分流作用致使流道速度 大大降低 从而使高压调节阀受到 的冲蚀影 响明 1 4 F LUI D MACHI NERY Vo 1 3 8 No 9 2 01 0 显减小 同时并联流道模型可 以实现对流量 的有 效控制 2 漩涡流动的形成是迷宫式流道流体运动 不可避免的特征 由于较高流速 的介质 受到迷 宫式流道 中直角弯拐的局部阻力作用 使得弯拐 下游附近形成低压区 是迷宫式高压调节 阀最易 汽蚀的部位 3 试验结果表 明 串联流道模型 中形成 的 漩涡具有发展的趋势 且在串联流道模型中第 3 第 4弯拐下游附近形成较大 的漩涡 区 这两个 区 域是串联流道模型最易汽蚀的部位 并联流道 中 基本以 破碎 涡为特征 的漩 涡流动 未见漩涡的 增强趋势 避免了流动对流道的冲蚀作用 参考文献 2 3 4 张玉润 基于几何方法设计调节 阀流通面积分布 J 仪器仪表学报 1 9 9 6 1 7 4 4 1 6 4 2 0 张玉润 陈意秋 调节阀流量特性探索 J 阀门 1 9 9 7 3 1 5 1 9 张玉润 祝和云 陈意秋 等 低 压降 比调节 阀 第二 讲 低压降比调节阀的特性设计计算和制造 J 石 油化工 自动化 1 9 9 2 5 6 0 6 6 陈意秋 张玉润 祝和云 等 低压降比调节阀 第三 讲 低压降比调节阀特性分析计算 J 石油化工自 动 化 1 9 9 2 5 6 7 7 6 5 彭领新 大机组给水泵最小流量再循环系统设计优 化 J 电力建设 1 9 9 8 9 3 5 3 7 6 王惠雨 调节 阀型线设计 与计 算 J 阀门 1 9 9 0 5 5 8 7 薛文斌 浅谈套筒的设计方法 J 石油化工自动 化 1 9 9 3 5 5 5 6 0 8 杨杉 江文贱 新型最小 流量装置 开发研究 J 江 西电力职工大学学报 2 0 0 2 1 5 3 1 2一l 6 9 付卫东 袁修干 黄本诚 等 调节阀流量的计算方 法 J 阀门 1 9 9 9 1 4 6 1 0 王文然 蒋跃元 许明阳 等 迷宫式高差压调节阀 研制 J 石油机械 2 0