離心泵葉輪導(dǎo)葉動(dòng)靜干涉的PIV測(cè)試

唐曉晨，朱智朋，邱 勇，王 凱，吳賢芳(.江蘇振華泵業(yè)制造有限公司，江蘇姜堰5500；.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)江0；.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江0)

0 引 言

若要通過(guò)設(shè)計(jì)方法來(lái)改善泵性能，必須掌握泵內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理。20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始發(fā)展并逐漸成熟的PIV技術(shù)是一種非接觸式瞬態(tài)流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，由于具有全流場(chǎng)快速測(cè)量、直觀等優(yōu)點(diǎn)，近年在泵內(nèi)部流動(dòng)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。另外，在葉輪機(jī)械中動(dòng)靜干涉會(huì)引起葉片表面產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，從而引起氣動(dòng)和聲學(xué)性能的變化，影響葉輪機(jī)械的效率、傳熱性能并導(dǎo)致周期性疲勞損傷。因此，近年來(lái)葉輪機(jī)械中的動(dòng)靜干涉引起了越來(lái)越多的關(guān)注。Pedersen等人[1]利用PIV對(duì)一離心泵在設(shè)計(jì)工況和0.25倍設(shè)計(jì)工況下的流動(dòng)情況進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)工況下，在葉片的表面上沒(méi)有發(fā)生脫流或者回流現(xiàn)象，但在0.25倍設(shè)計(jì)工況下，不僅觀察到上述的兩種現(xiàn)象，還發(fā)現(xiàn)了一種“雙通道”現(xiàn)象，并分析了“雙通道”的產(chǎn)生機(jī)理和發(fā)展規(guī)律。Feng等人[2]利用PIV系統(tǒng)研究一比轉(zhuǎn)數(shù)為22.6導(dǎo)葉式離心泵，進(jìn)行了內(nèi)流測(cè)量，測(cè)量發(fā)現(xiàn)在0.5倍設(shè)計(jì)工況下就在泵內(nèi)產(chǎn)生了“雙通道”現(xiàn)象。Westra[3,4]利用PIV和CFD分別對(duì)一低比轉(zhuǎn)數(shù)導(dǎo)葉式離心泵在0.8、1.0和1.2倍設(shè)計(jì)工況下的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了二次流存產(chǎn)生的位置和發(fā)展趨勢(shì)以及“射流-尾跡”隨著流量的變化規(guī)律。任蕓等人[5,6]利用PIV技術(shù)分析了一比轉(zhuǎn)數(shù)為74的離心泵的葉輪流道內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，研究結(jié)果表明：不穩(wěn)定流動(dòng)在0.6Qd工況開(kāi)始產(chǎn)生，直到0.4Qd工況得到發(fā)展，最后在0.1Qd時(shí)幾乎不穩(wěn)定流動(dòng)渦發(fā)展到了整個(gè)葉輪流道；靠近蝸殼隔舌處的葉輪流道內(nèi)流動(dòng)最不穩(wěn)定，最先出現(xiàn)分離渦的流道。施衛(wèi)東等人[7,8]采用CFD數(shù)值計(jì)算與PIV測(cè)量手段，對(duì)一比轉(zhuǎn)數(shù)為60的潛水排污泵蝸殼內(nèi)流進(jìn)行了測(cè)量，研究結(jié)果表明在小流量和設(shè)計(jì)工況下蝸殼隔舌與蝸殼進(jìn)口之間的速度較高，在該處造成較大的速度梯度，而在大流量情況下并沒(méi)有出現(xiàn)這種情況。此外，吳亞?wèn)|等[9]研究無(wú)動(dòng)量虧損尾跡與動(dòng)葉相互干涉的流場(chǎng)，得到動(dòng)葉在不同位置處?kù)o子與動(dòng)葉相互干涉的流場(chǎng)，結(jié)果顯示：無(wú)動(dòng)量虧損尾跡對(duì)流動(dòng)的穩(wěn)定性有一定的效果，不僅加快了動(dòng)葉尾跡的耗散，同時(shí)也削弱了動(dòng)葉尾跡中脫落渦對(duì)下游流動(dòng)的影響，使下游流場(chǎng)的流動(dòng)更穩(wěn)定。

本文利用PIV技術(shù)對(duì)導(dǎo)葉式離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，獲得了葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)的速度、液流角等分布，為進(jìn)一步研究離心泵葉輪導(dǎo)葉動(dòng)靜干涉效應(yīng)，提供了可靠的依據(jù)和資料。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)臺(tái)及PIV系統(tǒng)

試驗(yàn)用泵內(nèi)流測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，主要測(cè)試設(shè)備有用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻控制柜、三相異步電動(dòng)機(jī)、用于測(cè)量流量的電磁流量計(jì)、壓力變送器、三相PWM專用測(cè)試儀等。

試驗(yàn)用的PIV系統(tǒng)是美國(guó)TSI公司2009年商用PIV系統(tǒng)，主要包括：脈沖激光器；610035型同步器；CCD相機(jī)；內(nèi)置Tecplot等后處理軟件的圖像采集及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)Insight3G；610015-NW型光臂、片光源透鏡組等。

圖1 PIV測(cè)試系統(tǒng)及其試驗(yàn)臺(tái)

1.2 外觸發(fā)同步系統(tǒng)

PIV同步器控制系統(tǒng)是整個(gè)PIV系統(tǒng)的核心，主要用于圖像的捕捉和激光脈沖的秩序控制，脈沖間隔和幀數(shù)量的確定以及實(shí)現(xiàn)外部觸發(fā)等[10]，本試驗(yàn)采用TSIPIV系統(tǒng)，其每幀圖像最大采樣頻率只有7.5 Hz，而試驗(yàn)用電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，最大轉(zhuǎn)速時(shí)輸出頻率為1450/60×1≈24.2 Hz，遠(yuǎn)大于PIV采樣系統(tǒng)的采樣頻率。

此外，PIV試驗(yàn)用變頻器控制柜調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，然而變頻器發(fā)出的電信號(hào)會(huì)嚴(yán)重干擾外觸發(fā)脈沖信號(hào)。但試驗(yàn)用外觸發(fā)同步系統(tǒng)是由光纖制作，而光纖是絕緣體材料，具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，完全可以避免變頻器輸出信號(hào)的干擾[10]，本試驗(yàn)采用的外觸發(fā)同步系統(tǒng)，如圖2所示，該系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是同步觸發(fā)控制器主機(jī)，它主要對(duì)輸入的軸編碼信號(hào)進(jìn)行濾波、計(jì)數(shù)、延時(shí)和觸發(fā)信號(hào)輸出(通過(guò)光纖接口輸出)；另一部分是光纖傳輸轉(zhuǎn)換器，它主要把主機(jī)通過(guò)光纖發(fā)來(lái)的觸發(fā)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)，然后將TSI同步器和BNC接口接起來(lái)，完成同步觸發(fā)信號(hào)的傳輸。

圖2 外觸發(fā)同步系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)用泵

為了便于PIV測(cè)量，試驗(yàn)用泵葉輪、導(dǎo)葉以及泵體均采用有機(jī)玻璃鑄造做成。有機(jī)玻璃的優(yōu)點(diǎn)為質(zhì)地均勻，無(wú)氣泡、雜質(zhì)，各個(gè)表面均拋光處理，各個(gè)表面粗糙度達(dá)到3.2級(jí)。其結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 試驗(yàn)用泵結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 測(cè)量工況

本次試驗(yàn)共測(cè)量5個(gè)工況，分別為0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd、1.4Qd(其中Qd為設(shè)計(jì)工況，為32.8 m3/h)。

2.2 測(cè)量斷面及區(qū)域

PIV測(cè)量斷面為葉輪中間截面。測(cè)量區(qū)域(如圖4所示)為導(dǎo)葉和泵體內(nèi)的區(qū)域1、葉輪流道內(nèi)的區(qū)域2。

為了研究區(qū)域2的瞬時(shí)流動(dòng)，將該流道劃分為4個(gè)不同的相位，分別記為0、T/4、T/2、3T/4，相位差為18°，如圖5所示。該相位差在Insight3G軟件中通過(guò)脈沖延遲時(shí)間來(lái)設(shè)置，在1 450 r/min下葉片轉(zhuǎn)過(guò)18°約為2.069 ms。

圖4 測(cè)量區(qū)域

圖5 葉片相位示意圖

2.3 示蹤粒子的選擇及相機(jī)的布置

Al2O3粉末價(jià)格便宜，能較好地散射激光且對(duì)流體有很好的跟隨性，因此，選用Al2O3粉末作為示蹤粒子[10]。

采用Scheimplüg方式布置兩臺(tái)CCD相機(jī)。

2.4 標(biāo)定方法

本研究通過(guò)采用等效標(biāo)定方法對(duì)水箱進(jìn)行標(biāo)定來(lái)提高PIV測(cè)量精度，即把標(biāo)定靶盤(pán)放在泵體外的水箱內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定水箱由水箱、葉輪前蓋板和導(dǎo)葉前蓋板三部分組成，是由機(jī)玻璃加工而成，水箱的壁厚與泵體的壁厚相等。

2.5 試驗(yàn)步驟

通過(guò)變頻控制柜將電機(jī)轉(zhuǎn)速n調(diào)到1 450 r/min，并通過(guò)出口閥門(mén)調(diào)節(jié)流量，待流動(dòng)穩(wěn)定后采用PIV測(cè)量流場(chǎng)，依次重復(fù)直至完成所有工況下的流場(chǎng)測(cè)量。

3 測(cè)量結(jié)果與分析

采用離心泵PIV測(cè)量速度處理軟件對(duì)得到的20組互相關(guān)的速度文件進(jìn)行處理，并將得到的速度向量文件導(dǎo)入Tecplot軟件中進(jìn)行處理，得到不同區(qū)域在不同工況下的速度分布。

3.1 葉輪速度分布

從工作面到葉片背面過(guò)渡的區(qū)域如圖4所示，在測(cè)量區(qū)域2上沿徑向半徑逐漸變小的方向過(guò)渡。葉輪測(cè)量區(qū)域2上出口處的v/u分布情況如圖6所示。t=0時(shí)刻，流體的絕對(duì)速度從工作面到葉片背面先增大后減小，絕對(duì)速度靠近葉片背面的位置略大于工作面，且出口處的絕對(duì)速度值隨著流量的增大而減小。t=T/4時(shí)刻，絕對(duì)速度從工作面到葉片背面先增大后略微減小然后再增大，但在靠近葉片背面，1.4Qd工況下的絕對(duì)速度明顯大于1.2Qd工況和1.0Qd工況。t=T/2時(shí)刻，絕對(duì)速度從工作面到葉片背面幾乎沒(méi)有變化。t=3T/4時(shí)刻，絕對(duì)速度從工作面到葉片背面逐漸增大，但增長(zhǎng)比較緩慢。

圖6 葉輪測(cè)量區(qū)域2上出口處的v/u(PS為壓力面、SS為吸力面)

在葉輪測(cè)量區(qū)域2上出口處的w/u分布情況如圖7所示。t=0時(shí)刻，相對(duì)速度從工作面到葉片背面先減小后增大，且相對(duì)速度值隨著流量的增大而增大。t=T/4時(shí)刻，設(shè)計(jì)工況和大流量工況從工作面到葉片背面相對(duì)速度呈減小的趨勢(shì)，而兩個(gè)小流量工況則先減小后增大再減小。t=T/2時(shí)刻，相對(duì)速度從工作面到葉片背面基本沒(méi)有變化。t=3T/4時(shí)刻，ζ>0.75時(shí)的相對(duì)速度則減小，ζ<0.75時(shí)相對(duì)速度變化不大。

圖7 葉輪測(cè)量區(qū)域2上出口處的w/u(PS為壓力面、SS為吸力面)

3.2 葉輪出口處的液流角分布

由速度三角形(見(jiàn)圖8)，葉輪內(nèi)的絕對(duì)液流角α和相對(duì)液流角β可以根據(jù)圓周速度u、絕對(duì)速度v和相對(duì)速度w計(jì)算出來(lái)，如下：

圖8 速度三角形

將0時(shí)刻5個(gè)工況下絕對(duì)速度矢量文件導(dǎo)入到自編的離心泵PIV測(cè)量速度處理軟件處理成絕對(duì)液流角分布文件和相對(duì)液流角分布文件。t=0時(shí)刻各個(gè)工況下葉輪測(cè)量區(qū)域2上出口處從工作面到葉片背面的絕對(duì)液流角和相對(duì)液流角分布如圖9和10所示。

圖9 t=0時(shí)刻葉輪測(cè)量區(qū)域2上出口處的絕對(duì)液流角(PS為壓力面、SS為吸力面)

圖10 t=0時(shí)刻葉輪測(cè)量區(qū)域2上出口處的相對(duì)液流角(PS為壓力面、SS為吸力面)

從圖9中可以看出，葉輪測(cè)量面2出口的絕對(duì)液流角基本上都隨著流量的減小而減小。其中設(shè)計(jì)工況與大流量工況絕對(duì)液流角的變化情況基本一致，從工作面到葉片背面絕對(duì)液流角呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。從工作面到葉片背面兩個(gè)小流量工況下絕對(duì)液流角先增大、后減小、接著增大、最后減小。由于受到導(dǎo)葉進(jìn)口葉片的影響(如圖9放大框圖)，在ζ=0.55～0.75區(qū)間，絕對(duì)液流角較小，在小流量工況下泵內(nèi)流速較慢，導(dǎo)葉葉片對(duì)葉輪出口處的速度影響較大，使得絕對(duì)液流角變化比較明顯。

從圖10中可以看出，設(shè)計(jì)工況與大流量工況的相對(duì)液流角變化趨勢(shì)基本相同，小流量工況的相對(duì)液流角變化情況基本保持一致。同樣，由于受到導(dǎo)葉進(jìn)口葉片影響，小流量工況下的相對(duì)液流角也較小。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用PIV技術(shù)對(duì)0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd和1.4Qd等5個(gè)工況下導(dǎo)葉式離心泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量。主要結(jié)論如下：

(1)采用等效標(biāo)定方法和由光纖制作外觸發(fā)同步系統(tǒng)，避免了變頻器輸出信號(hào)的干擾，提高了測(cè)量精度?；谧蚤_(kāi)發(fā)的離心泵PIV速度測(cè)量處理軟件，得到了相對(duì)速度、無(wú)量綱速度w/u、v/u、絕對(duì)液流角、相對(duì)液流角等在不同工況下的分布。

(2)通過(guò)PIV內(nèi)流測(cè)試系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)葉式離心泵內(nèi)流測(cè)量結(jié)果顯示：所有測(cè)量工況下的泵內(nèi)流流態(tài)較好；導(dǎo)葉葉片凸面雖然存在低速區(qū)域，但并沒(méi)有產(chǎn)生回流現(xiàn)象；在導(dǎo)葉流道內(nèi)，在導(dǎo)葉凸面出口區(qū)域流動(dòng)的速度較小，且沒(méi)有明顯規(guī)律，但并沒(méi)有出現(xiàn)可視的漩渦；葉輪測(cè)量區(qū)域2出口的絕對(duì)液流角基本上都隨著流量的增大而增大，其中設(shè)計(jì)工況與大流量工況的變化情況基本一致，從工作面到葉片背面絕對(duì)液流角呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)；從工作面到葉片背面小流量工況的絕對(duì)液流角先增大、后減小、接著增大、最后減?。辉O(shè)計(jì)工況和大流量工況的相對(duì)液流角情況基本一致，同樣，小流量工況下的相對(duì)液流角變化情況基本保持一致。

□

[1] Pedersen N, Larsen P S, Jacobsen C B. Flow in a centrifugal pump impeller at design and off-design conditions - Part Ⅰ: Particle Image Velocimetry (PIV) and Laser Doppler Velocimetry (LDV) measurements[J]. Journal of Fluids Engineering, 2003, 125(1): 61-72.

[2] Feng J, Benra F, Dohmen H J. Time-resolved particle image velocity(PIV) measurements in a radial diffuser pump[C]∥ Proceedings of the ASME 2009 Fluids Engineering Division Summer Meeting/FEDSM2009-78297, 2009, Colorado, USA.

[3] Westra R W, Broersma L, Van Andel K, et al. PIV measurements and CFD computations of secondary flow in a centrifugal pump impeller[J]. Journal of Fluids Engineering, 2010,(132):061104.

[4] Westra R W, Broersma L, Van Andel K, et al. Secondary flows in centrifugal pump impellers: PIV measurement and CFD computations[C]∥ Proceedings of the ASME 2009 Fluids Engineering Division Summer Meeting/FEDSM2009-78275, 2009, Colorado, USA.

[5] 楊敏官，劉 棟，康 燦，等．離心泵葉輪內(nèi)部伴有鹽析流場(chǎng)的分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(12)：83-86.

[6] 楊敏官，劉 棟，顧海飛，等．鹽析固-液兩相流場(chǎng)的PIV測(cè)量方法[J]．江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，28(4)：324-327.

[7] 趙斌娟，袁壽其，劉厚林，等.雙流道及雙葉片式葉輪內(nèi)流場(chǎng)的PIV測(cè)量與比較[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(12)：82-85.

[8] 邵春雷，顧伯勤，陳 曄.吸水室內(nèi)部流動(dòng)的粒子圖像測(cè)速試驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2009，24(1)：157-161.

[9] 王芳群，李 嵐，王 顥，等.基于粒子圖像測(cè)速技術(shù)的血泵內(nèi)流場(chǎng)研究[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2009，28(4)：597-601.

[10] 邵春雷，顧伯勤，黃星路，等.低比轉(zhuǎn)速泵葉輪流道內(nèi)部流動(dòng)的PIV試驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2010，25(9)：2091-2096.

[11] 楊 華，湯方平，劉 超，等.離心泵葉輪內(nèi)二維PIV非定常流動(dòng)測(cè)量[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(7)：56-60.

[12] 吳亞?wèn)|，竺曉程，杜朝暉.基于PIV實(shí)驗(yàn)研究無(wú)動(dòng)量虧損尾跡與動(dòng)葉相互干涉的流場(chǎng)[J].中國(guó)科技論文在線，2009，4(10)：758-764.