离心泵流道中固体颗粒速度场的粒子成像测速(PIV)分析与研究

1、第14卷第3期1998年9月农业工程学报T ransacti ons of the CSA E V o l .14N o.3Sep t .1998收稿日期:19982032233清华大学科学研究基金资助课题(XJ 95216许洪元,副教授,北京市海淀区清华园清华大学水利水电工程系,100084离心泵流道中固体颗粒速度场的粒子成像测速(P I V 分析与研究3许洪元卢达熔焦传国罗先武(清华大学摘要粒子成像测速(P I V 技术是随高速摄影技术和计算机图像处理技术发展起来的一种速度量测技术。该文将P I V 技术应用于离心泵流道中固粒速度场的研究。开发了一套W indow s 界面的速度分析软件,

2、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的大。研究结果有助于解释离心泵内磨粒磨损现象。关键词离心泵P I V 固体颗粒速度分布离心泵流道中的固体颗粒和液体的运动特性与泵零件的磨损及运行性能密切相关。通过颗粒运动特性的分析可以为提高离心式渣浆泵的使用寿命和性能开辟有效的途径。以往用于旋转叶轮内流动测量的方法主要是机械测试方法,现在越来越多的研究者采用先进的光学方法或其它物理方法。光学方

3、法对流动没有影响,适应范围较广。随着计算机技术的高速发展,光学方法与计算机的密切配合,使其成为更完整的现代化测试方法。利用光学方法测试离心泵内部流动包括激光测试技术及摄影记录方法等。本文采用的P I V (Particle I m age D isp lacem en t V elocity ,粒子成像测速技术属于摄影记录方法的一种。P I V 技术是随高速摄影技术和计算机图像处理技术的发展,于80年代中兴起的一门崭新的速度量测技术1。而P I V 技术虽已应用于泵内流场的研究中2,但刚刚起步。本文着重介绍离心泵流道中固体颗粒速度场的P I V 分析结果。1图像分析简介首先用高速摄影方法拍摄离

4、心泵流道中颗粒运动。试验台系统参考文献3。试验装置中的离心泵叶轮为半开式,进口直径为130mm ,出口直径为330mm 。泵盖采用光洁透明的有机玻璃。叶轮转速范围7501460r m in 。试验所采用的颗粒有橡皮泥、黄豆、砂子和核桃壳等密度、形状和硬度等物理特性不同的颗粒。高速摄影机置于泵的正前方。拍摄频率根据叶轮转速调整,本试验采用的拍摄频率为每秒15003000幅图片。转载 中国科技论文在线流速测定原理是利用计算机找出相邻图片上的同一颗粒,用以确定其位移。颗粒的运动时间就是相邻图片的取样时间。这样就可以确定颗粒的速度。如果旋转叶片使同一叶片相对轴心角度一致,则可计算出相对速度。如果使泵体

5、角度一致,则可分析出颗粒的绝对速度。本文采用人工判断颗粒的方法进行试验图片的分析和处理,我们为此开发了一套W indow s 界面格式的分析软件。该软件提供了丰富友好的人机界面,在有关文章中已作过介绍4。图像窗口是滚动窗,可以处理大小图片,最后输出结果包括数据文件、绝对速度和相对速度矢量分布图。还可以用鼠标动态查询各个颗粒点速度。这套软件的程序移植性和扩充性都很好,只需稍加修改,即可以扩充其功能。例如,只需增加一个函数模块,如果对连续运动图片进行旋转,使同一叶片相对轴心的倾斜角度一致,则可借助这套软件确定各个颗粒的位置,从而分析不同特征颗粒的运动轨迹。2颗粒运动特性分析以几幅P I V 技术处

6、理的实际图片(图13为例,讨论固粒在离心泵流道中的运动特性。每幅图包含绝对速度和相对速度矢量分布两部分。图中主要选取有代表性位置处的速度矢量反映颗粒的绝对速度和相对速度的大小及方向,其中相对速度矢量长度放大到1.5倍,以便于查看 。图1不同粒径橡皮泥球在叶轮中的运动F ig .1T he mo ti on of rubber balls w ith differentparticle diam eters in the i m peller 图2核桃壳在离心泵叶轮中的运动F ig .2T he mo ti on of w alnut shell 2fracti ons in the i m p

7、ellera .细砂b .粗砂图3砂在离心泵叶轮中的运动F ig .3T he mo ti on of sand in the i m peller2.1三种不同物理特性固体颗粒的运动特性比较表1是三种不同物理特性固粒在泵流道中的运动特性比较。可以看出密度与水接近的橡皮泥和核桃壳的运动规律与水流大体一致。密度较大的细砂易在叶轮出口处与叶片产生311第3期许洪元等:离心泵流道中固体颗粒速度场的粒子成像测速(P I V 分析与研究摩擦。粗砂与叶片进口碰撞几率大,在蜗室中易集中于壁面运动。表1不同物理特性固体颗粒的运动特性比较T ab.1Comparison of the mo ti on of p

8、articles w ith different physical p roperties 固体颗粒类型及试验条件运动特性简要分析橡皮泥球(s=1.26g c m3运行参数:n=750r m inQ=50m3 hf=2000H z 小球半径d s=2mm大球半径d s=6mm见图1。细点粒径2mm、粗点粒径6mm,两者运动规律基本一致。在进口和出口附近,颗粒相对速度方向总体趋势与叶片曲线方向基本一致。在蜗壳中,颗粒流动方向接近于圆周的切线方向。表明密度较小的颗粒与水流的跟随性较好。这与文献5中对橡皮泥球所做的轨迹试验的结果相符。核桃壳(s=0.94g c m3运行参数:n=750r m inQ

9、=70m3 hf=2000H z d s=35mm(固粒呈片状,粒径指最大尺寸方向的尺寸见图2。在叶片间流道中,颗粒的运动方向与叶片曲线方向基本一致;颗粒离开叶轮后,在蜗室中的分布不均匀,集中于蜗壳壁。当壳壁处的核桃壳积聚到一定程度,就会改变蜗室中的流动状态,部分颗粒又被重新卷回蜗室流道中间。代表了密度较小的不规则颗粒在流道中的运动规律。由于核桃壳质量轻,呈片状,导致颗粒随叶轮旋转并且向蜗壳壁运动的同时,存在着自身的旋转运动,促其移向涡壳壁。砂子(s=2.65g c m3运行参数:n=750r m inQ=74m3 hf=1500H z d s=12mm见图3a。固粒进入叶片间流道时,其运动方

10、向由轴向转为径向,由于惯性作用,颗粒大多移向后盖板。在叶片间流道中,相对速度方向与叶片曲线方向较接近,出口角比较小。蜗室中颗粒的速度方向接近于圆周的切向。在隔舌附近,有一部分混合液流随着叶轮旋转,重新流入蜗室。叶轮出口的混合液流的圆周速度分量比较大,使颗粒易于靠近叶片出口部分,将导致叶轮磨损加剧。同时由于出口径向速度分量比较小,固粒进入蜗室后不会很快移向蜗壳壁,蜗室中的分布趋于均匀。d s=56mm见图3b。固粒进入叶片间流道时,其运动方向由轴向转为径向时,由于惯性较大,颗粒移向后盖板的运动趋势比小颗粒更为明显。径向速度比较小,导致颗粒与叶片进口碰撞机率增大。颗粒离开叶轮后移向蜗壳壁,而叶轮外

11、缘附近的颗粒相对较少,部分颗粒与蜗壳壁碰撞后,离开蜗壳壁,分布于蜗室中。在隔舌处,有部分颗粒回流到蜗壳流道。颗粒与叶片碰撞后离开压力面,但随后在惯性作用下将又向工作面靠近;颗粒离开叶轮时,相对圆周速度分量比小颗粒的小,对叶片出口的作用相应地减小。由于离心力较大,会使颗粒集中于蜗壳壁,颗粒越大,蜗壳壁磨损越快。2.2叶片与泵盖之间间隙较大时颗粒在叶轮中的运动图4反映了叶片与泵盖之间间隙较大(=8mm时的细砂粒通过间隙流入下一个流道的情况。这时颗粒的相对速度比较大,而且在流道中尤其是出口区域的相对速度比叶片和泵411农业工程学报1998年盖之间的间隙较小时(1.5mm 要大得多,而在进口处相对速度

12、反而比流道中部小。这无疑会加快叶片尤其是出口区域叶片的磨损。图5为颗粒在叶轮中的速度三角形,当颗粒在叶片和泵盖之间间隙中运动时,尽管颗粒不在叶片间流道中,但受旋转叶轮的影响,颗粒的绝对速度有一个与叶轮转向相同的速度分量,且颗粒不是流向叶轮出口,而是流向叶轮的进口,说明间隙中有较大的泄漏,将有相当部分砂水混合物返流回叶轮进口。经过一定时间的磨粒磨损,使靠近间隙处的叶片侧缘变成弧形,泄漏将更为严重 。图4间隙偏大时的半开式叶轮颗粒在叶轮中的运动(n =1000r m in f =1500H z Q =82m 3 h F ig .4T he mo ti on of particles in the

13、half 2open typei m peller w ith greater gap v 绝对速度v u v 在u 方向投影w 相对速度u 牵连速度图5颗粒在叶轮中的速度三角形F ig .5T he velocity triangle of particles in the i m peller 3结论1P I V 技术可成功地运用于离心泵流道中的两相流动分析;2密度与水接近的颗粒在叶轮流道中的运动规律与水流大体一致,粒径和形状对其流动规律的影响较小,主要影响其速度的大小;3密度较大的细颗粒在叶轮出口处会对叶片产生较大摩擦磨损。粗颗粒会集中于蜗室壁面运动;4开式叶轮由于叶片和泵盖之间的流动受

14、泄漏影响,其相对速度比在闭式叶轮中大,流动角也小。不仅会增加水力损失,也会加强磨损破坏。参考文献1A drian R I .M ulti 2po int op ticalm easurem ent of si m ultaneous vecto r in insteady flow 2a review .IntlJ of H eat &F luid F low .1986,7(2:1271452Dong R ,Chu S and Kate J .Q uantitative visualizati on of the flow w ith in the vo lute of a cent

15、rifugalpump .J of F luids Engineering .1992,114(3:3903953许洪元,吴玉林,高志强等.稀相固粒在离心泵叶轮中的运动规律实验研究和数值分析.水利学报,1997(9:12174许洪元,焦传国.两相流研究中的P I V 实验技术及图像分析处理.水泵技术,1997(3:355赵敬亭,赵振海.离心泵流道中固体颗粒的运动.水泵技术,1990(1:3654511第3期许洪元等:离心泵流道中固体颗粒速度场的粒子成像测速(P I V 分析与研究611农业工程学报1998年Particle I mage D isplacem en t Veloc ity(P

16、IVandVeloc ity F ield of Sol id Particles i n Cen tr ifuga l Pu m pXu Hongyua nL u D a rongJ ia o C hua nguoL uo X ia nw u(T sing hua U niversity,B eij ingAbstractT he P I V techn ique is a b rand2new techn ique of m easu ring velocity.It started in the1980s w ith the developm en t of h igh speed p

17、ho tograp hy and the i m age p rocessing tech2 n ique of com p u ters.T h is paper deals w ith P I V app lied to the study of so lid particles veloc2 ity in the flow p assage of cen trifugal pum p s.A set of softw are w ith W indow s in terface w as develop ed to analyze the flow m o ti on of such s

18、o lid p articles as rubber balls,w alnu t shell2fracti on s and sand w ith differen t p hysical p roperties in the flow passage.T he study show s that the den sity of so lid p articles has i m po rtan t effects on the relative trajecto ry of p articles,the shape and size of so lid p articles m ain ly affect