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)能源與動力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江0)

0 引 言

若要通過設(shè)計方法來改善泵性能，必須掌握泵內(nèi)部流動機理。20世紀(jì)80年代后期開始發(fā)展并逐漸成熟的PIV技術(shù)是一種非接觸式瞬態(tài)流場測試技術(shù)，由于具有全流場快速測量、直觀等優(yōu)點，近年在泵內(nèi)部流動研究中得到了廣泛的應(yīng)用。另外，在葉輪機械中動靜干涉會引起葉片表面產(chǎn)生壓力脈動，從而引起氣動和聲學(xué)性能的變化，影響葉輪機械的效率、傳熱性能并導(dǎo)致周期性疲勞損傷。因此，近年來葉輪機械中的動靜干涉引起了越來越多的關(guān)注。Pedersen等人[1]利用PIV對一離心泵在設(shè)計工況和0.25倍設(shè)計工況下的流動情況進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)在設(shè)計工況下，在葉片的表面上沒有發(fā)生脫流或者回流現(xiàn)象，但在0.25倍設(shè)計工況下，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，進行了內(nèi)流測量，測量發(fā)現(xiàn)在0.5倍設(shè)計工況下就在泵內(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)計工況下的內(nèi)部流動進行了研究，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)定流動的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，研究結(jié)果表明：不穩(wěn)定流動在0.6Qd工況開始產(chǎn)生，直到0.4Qd工況得到發(fā)展，最后在0.1Qd時幾乎不穩(wěn)定流動渦發(fā)展到了整個葉輪流道；靠近蝸殼隔舌處的葉輪流道內(nèi)流動最不穩(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)值計算與PIV測量手段，對一比轉(zhuǎn)數(shù)為60的潛水排污泵蝸殼內(nèi)流進行了測量，研究結(jié)果表明在小流量和設(shè)計工況下蝸殼隔舌與蝸殼進口之間的速度較高，在該處造成較大的速度梯度，而在大流量情況下并沒有出現(xiàn)這種情況。此外，吳亞東等[9]研究無動量虧損尾跡與動葉相互干涉的流場，得到動葉在不同位置處靜子與動葉相互干涉的流場，結(jié)果顯示：無動量虧損尾跡對流動的穩(wěn)定性有一定的效果，不僅加快了動葉尾跡的耗散，同時也削弱了動葉尾跡中脫落渦對下游流動的影響，使下游流場的流動更穩(wěn)定。

本文利用PIV技術(shù)對導(dǎo)葉式離心泵內(nèi)部流場進行測量，獲得了葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)的速度、液流角等分布，為進一步研究離心泵葉輪導(dǎo)葉動靜干涉效應(yīng)，提供了可靠的依據(jù)和資料。

1 實驗裝置

1.1 試驗臺及PIV系統(tǒng)

試驗用泵內(nèi)流測試試驗臺如圖1所示，主要測試設(shè)備有用于控制電機轉(zhuǎn)速的變頻控制柜、三相異步電動機、用于測量流量的電磁流量計、壓力變送器、三相PWM專用測試儀等。

試驗用的PIV系統(tǒng)是美國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；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測試系統(tǒng)及其試驗臺

1.2 外觸發(fā)同步系統(tǒng)

PIV同步器控制系統(tǒng)是整個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)量的確定以及實現(xiàn)外部觸發(fā)等[10]，本試驗采用TSIPIV系統(tǒng)，其每幀圖像最大采樣頻率只有7.5 Hz，而試驗用電機的額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，最大轉(zhuǎn)速時輸出頻率為1450/60×1≈24.2 Hz，遠大于PIV采樣系統(tǒng)的采樣頻率。

此外，PIV試驗用變頻器控制柜調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，然而變頻器發(fā)出的電信號會嚴(yán)重干擾外觸發(fā)脈沖信號。但試驗用外觸發(fā)同步系統(tǒng)是由光纖制作，而光纖是絕緣體材料，具有很強的抗電磁干擾能力，完全可以避免變頻器輸出信號的干擾[10]，本試驗采用的外觸發(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，它主要對輸入的軸編碼信號進行濾波、計數(shù)、延時和觸發(fā)信號輸出(通過光纖接口輸出)；另一部分是光纖傳輸轉(zhuǎn)換器，它主要把主機通過光纖發(fā)來的觸發(fā)脈沖信號轉(zhuǎn)換為電平信號，然后將TSI同步器和BNC接口接起來，完成同步觸發(fā)信號的傳輸。

圖2 外觸發(fā)同步系統(tǒng)

1.3 試驗用泵

為了便于PIV測量，試驗用泵葉輪、導(dǎo)葉以及泵體均采用有機玻璃鑄造做成。有機玻璃的優(yōu)點為質(zhì)地均勻，無氣泡、雜質(zhì)，各個表面均拋光處理，各個表面粗糙度達到3.2級。其結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 試驗用泵結(jié)構(gòu)

2 實驗方案

2.1 測量工況

本次試驗共測量5個工況，分別為0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd、1.4Qd(其中Qd為設(shè)計工況，為32.8 m3/h)。

2.2 測量斷面及區(qū)域

PIV測量斷面為葉輪中間截面。測量區(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的瞬時流動，將該流道劃分為4個不同的相位，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軟件中通過脈沖延遲時間來設(shè)置，在1 450 r/min下葉片轉(zhuǎn)過18°約為2.069 ms。

圖4 測量區(qū)域

圖5 葉片相位示意圖

2.3 示蹤粒子的選擇及相機的布置

Al2O3粉末價格便宜，能較好地散射激光且對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CCD相機。

2.4 標(biāo)定方法

本研究通過采用等效標(biāo)定方法對水箱進行標(biāo)定來提高PIV測量精度，即把標(biāo)定靶盤放在泵體外的水箱內(nèi)進行標(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，是由機玻璃加工而成，水箱的壁厚與泵體的壁厚相等。

2.5 試驗步驟

通過變頻控制柜將電機轉(zhuǎn)速n調(diào)到1 450 r/min，并通過出口閥門調(diào)節(jié)流量，待流動穩(wěn)定后采用PIV測量流場，依次重復(fù)直至完成所有工況下的流場測量。

3 測量結(jié)果與分析

采用離心泵PIV測量速度處理軟件對得到的20組互相關(guān)的速度文件進行處理，并將得到的速度向量文件導(dǎo)入Tecplot軟件中進行處理，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渡的區(qū)域如圖4所示，在測量區(qū)域2上沿徑向半徑逐漸變小的方向過渡。葉輪測量區(qū)域2上出口處的v/u分布情況如圖6所示。t=0時刻，流體的絕對速度從工作面到葉片背面先增大后減小，絕對速度靠近葉片背面的位置略大于工作面，且出口處的絕對速度值隨著流量的增大而減小。t=T/4時刻，絕對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工況下的絕對速度明顯大于1.2Qd工況和1.0Qd工況。t=T/2時刻，絕對速度從工作面到葉片背面幾乎沒有變化。t=3T/4時刻，絕對速度從工作面到葉片背面逐漸增大，但增長比較緩慢。

圖6 葉輪測量區(qū)域2上出口處的v/u(PS為壓力面、SS為吸力面)

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

圖7 葉輪測量區(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(見圖8)，葉輪內(nèi)的絕對液流角α和相對液流角β可以根據(jù)圓周速度u、絕對速度v和相對速度w計算出來，如下：

圖8 速度三角形

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

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

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

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

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

4 結(jié) 語

采用PIV技術(shù)對0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd和1.4Qd等5個工況下導(dǎo)葉式離心泵內(nèi)部流動進行了測量。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的干擾，提高了測量精度。基于自開發(fā)的離心泵PIV速度測量處理軟件，得到了相對速度、無量綱速度w/u、v/u、絕對液流角、相對液流角等在不同工況下的分布。

(2)通過PIV內(nèi)流測試系統(tǒng)對導(dǎo)葉式離心泵內(nèi)流測量結(jié)果顯示：所有測量工況下的泵內(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)域流動的速度較小，且沒有明顯規(guī)律，但并沒有出現(xiàn)可視的漩渦；葉輪測量區(qū)域2出口的絕對液流角基本上都隨著流量的增大而增大，其中設(shè)計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液流角呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢；從工作面到葉片背面小流量工況的絕對液流角先增大、后減小、接著增大、最后減??；設(shè)計工況和大流量工況的相對液流角情況基本一致，同樣，小流量工況下的相對液流角變化情況基本保持一致。

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