低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵葉輪內(nèi)流動(dòng)分離的PIV實(shí)驗(yàn)研究

邱 勇，季燕羽，楊洪鑌，唐曉晨，談明高(. 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； 永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 永州 4500)

由于低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵流道狹長(zhǎng)，流道擴(kuò)散度較大，在小流量工況下容易產(chǎn)生邊界層流動(dòng)分離，產(chǎn)生分離泡，分離泡附近葉片做功能力大大降低。流動(dòng)分離產(chǎn)生的分離泡發(fā)展到一定程度還會(huì)導(dǎo)致離心泵內(nèi)部發(fā)生失速現(xiàn)象。失速會(huì)增加流動(dòng)損失，堵塞流道，降低泵的揚(yáng)程和效率。某些低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵在流量降低到一定程度時(shí)，分離泡會(huì)在流道中旋轉(zhuǎn)，造成旋轉(zhuǎn)失速[1]。其產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)會(huì)對(duì)流道產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重影響低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵及其管路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

許多關(guān)于設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬的文獻(xiàn)都提及了葉輪流動(dòng)分離對(duì)離心泵流動(dòng)損失和穩(wěn)定運(yùn)行的影響[2-6]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)離心泵葉輪內(nèi)嚴(yán)重流動(dòng)分離引起的失速現(xiàn)象進(jìn)行了較多的實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)流動(dòng)分離測(cè)試手段主要有：熱線風(fēng)速儀、多孔探針、激光多普勒測(cè)速技術(shù)( Laser Doppler Velocimetry，LDV)、粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Particle Image Velocimetry，PIV)等。LDV、熱線風(fēng)速儀和多孔探針采用單點(diǎn)測(cè)量的方式，無法得到空間的速度結(jié)構(gòu)，并且熱線風(fēng)速儀和多孔探針會(huì)干擾所測(cè)流場(chǎng)，使試驗(yàn)結(jié)果不能反映真實(shí)的失速現(xiàn)象。隨著流體測(cè)試技術(shù)的發(fā)展和PIV技術(shù)的成功應(yīng)用，對(duì)離心泵葉輪流動(dòng)分離的研究有了飛速發(fā)展。Pedersen[7]等人發(fā)現(xiàn)了0.2倍最優(yōu)工況下離心泵葉輪內(nèi)部出現(xiàn)交替發(fā)生流動(dòng)分離的雙通道現(xiàn)象。Katz[8]等人利用旋轉(zhuǎn)失速信號(hào)觸發(fā)相機(jī)拍攝，觀察了旋轉(zhuǎn)失速時(shí)葉輪和導(dǎo)葉附近的流動(dòng)分離現(xiàn)象。N．Krause[9]等人對(duì)導(dǎo)葉式離心泵的研究中發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)從47%設(shè)計(jì)流量降低到41%設(shè)計(jì)流量時(shí)，流道內(nèi)穩(wěn)定的分離泡變成旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)，并對(duì)所測(cè)流場(chǎng)速度場(chǎng)進(jìn)行了頻譜分析，獲得了失速團(tuán)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。楊東升等人[10]研究了小流量下雙葉片離心泵內(nèi)的流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在0.2倍最優(yōu)工況下葉輪內(nèi)有大面積的流動(dòng)分離，發(fā)生了失速現(xiàn)象。

研究葉輪流動(dòng)分離對(duì)理解離心泵葉輪流動(dòng)分離的產(chǎn)生與發(fā)展機(jī)理，避免發(fā)生失速和旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象，提高低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵及系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性有重要的意義。本文采用PIV技術(shù)對(duì)一6葉片低比轉(zhuǎn)數(shù)(ns=73)離心泵葉輪內(nèi)流場(chǎng)的分離泡流態(tài)進(jìn)行分析，為低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵流動(dòng)分離研究提供借鑒。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)用泵

試驗(yàn)用低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵如圖2所示，其主要參數(shù)如表1所示。離心泵的葉輪和蝸殼均采用有機(jī)玻璃加工，各個(gè)表面均進(jìn)行拋光處理以減小光學(xué)誤差。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)與PIV測(cè)試系統(tǒng) 注：1-低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵；2-出口壓力變送器；3-出口擴(kuò)散段；4-電磁流量計(jì)；5-出口閘閥；6-水箱；7-進(jìn)口閘閥；8-進(jìn)口壓力變送器；9-計(jì)算機(jī)；10-同步觸發(fā)控制器；11-CCD相機(jī)；12-激光器；13-光電信號(hào)傳輸器；14-旋轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)同步器；15-旋轉(zhuǎn)編碼器；16-三相異步電動(dòng)機(jī)。

圖2 PIV測(cè)試用低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵

表1 試驗(yàn)用泵的設(shè)計(jì)參數(shù)和幾何參數(shù)

1.3 PIV測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)采用TSI公司的PIV系統(tǒng)，主要包括：YAG200-NWL型雙脈沖激光器，最大脈沖能量200 mJ；630059 PowerView 4MP 跨幀CCD相機(jī)，最大成像能力2 048像素×2 048像素；610035型同步器；給610035型同步器傳輸同步控制信號(hào)的同步觸發(fā)控制器和光電信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)換裝置；610015型光臂；片光源透鏡組等。圖像采集和分析軟件Insight 3G，查問區(qū)尺寸最小可達(dá)4像素×4像素。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)泵最優(yōu)工況流量QBEP=27.7 m3/h。設(shè)計(jì)工況附近流動(dòng)分離不穩(wěn)定，現(xiàn)象不明顯；而在遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況時(shí)，流動(dòng)分離發(fā)展完全，周期性特征完整。為了較全面地研究小流量工況下離心泵葉輪內(nèi)流動(dòng)分離和分離泡，對(duì)遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況(Q/QBEP=0.18)下葉輪流道內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量。試驗(yàn)中激光片光截面與葉輪出口的中間截面重合，測(cè)量區(qū)域如圖3所示。

圖3 葉輪的6個(gè)不同相位

為了較全面研究離心泵葉輪內(nèi)部的分離泡現(xiàn)象，通過PIV系統(tǒng)中脈沖延遲時(shí)間設(shè)置，按流道吸力面與隔舌相對(duì)位置不同劃分為6個(gè)不同相位，分別為1T、2T、3T、4T、5T、6T。為便于分析，將葉輪內(nèi)流道分別命名為流道1、流道2、流道3、流道4、流道5、流道6，如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集及處理

在Insight3G軟件平臺(tái)上設(shè)置相關(guān)參數(shù)，采用粒子圖像序列采集方式進(jìn)行試驗(yàn)，每組連續(xù)采集100對(duì)圖像。運(yùn)用PIV互相關(guān)算法對(duì)Q/QBEP=0.18工況，不同相位下的100對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到100組速度場(chǎng)數(shù)據(jù)。然后將速度數(shù)據(jù)導(dǎo)入Tecplot軟件平臺(tái)上對(duì)進(jìn)行平均處理，利用自編程序?qū)ζ骄蟮慕^對(duì)速度進(jìn)行分解，從而得到相對(duì)速度，并導(dǎo)入Tecplot軟件進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 相對(duì)速度場(chǎng)結(jié)果分析

隨著離心泵流量不斷降低，葉片工作面流動(dòng)分離現(xiàn)象不斷惡化。與此同時(shí)，分離泡也不斷向流道中部發(fā)展和擴(kuò)散，并逐漸堵塞流道。分離泡區(qū)域速度梯度和速度脈動(dòng)都很大，有較大的黏性耗散損失和湍動(dòng)能損失。蝸殼周向壓力不平衡也會(huì)影響葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)分離現(xiàn)象，使分離泡呈現(xiàn)出周期性的變化。分離泡隨葉輪旋轉(zhuǎn)周期性地產(chǎn)生、發(fā)展和潰滅。

圖4給出了Q/QBEP=0.18時(shí)，不同葉輪相位流場(chǎng)相對(duì)速度流線圖。在小流量工況下，蝸殼在隔舌右側(cè)進(jìn)口處壓力最小，并且沿蝸殼周向一直增大，到隔舌左側(cè)出口處壓力達(dá)到最大[11]。受蝸殼的周向壓力不均勻分布的影響，葉輪流道出口在蝸殼不同位置處的逆壓梯度不同，葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)分離和分離泡的發(fā)展?fàn)顩r也不一樣[12]。由圖4可見，在1T相位處，流道2、3、4、5內(nèi)都存在較明顯的分離泡，流道1內(nèi)分離泡較小，而流道6內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)較明顯的分離泡。流道1內(nèi)分離泡較小，以及流道6內(nèi)分離泡消失的原因是流道2內(nèi)較強(qiáng)的分離泡使得進(jìn)口流動(dòng)發(fā)生變形，造成了流道1、6進(jìn)口沖角增大，流道3、4、5進(jìn)口沖角減小。這樣，流道3、4、5內(nèi)流動(dòng)分離增強(qiáng)，而流道1、6內(nèi)分離泡潰滅。圖4與文獻(xiàn)[7]中“雙流道現(xiàn)象”類似，而與文獻(xiàn)[9]中觀測(cè)到的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象不同。

圖4 不同相位下葉輪相對(duì)速度流線云圖

在2T相位，流道1內(nèi)壓力面流動(dòng)分離開始發(fā)展。這是因?yàn)榱鞯?出口的一部分越過了隔舌進(jìn)入隔舌右側(cè)低壓區(qū)，出口壓力減小，流道2內(nèi)分離泡減弱，對(duì)流道1進(jìn)口沖角影響也減小。同時(shí)流道1出口壓力增加，流動(dòng)分離趨勢(shì)增加，兩者同時(shí)作用的結(jié)果是流道1內(nèi)流動(dòng)分離和分離泡發(fā)展。由于流道2內(nèi)分離泡對(duì)流道3進(jìn)口流動(dòng)的影響，與流道出口壓力變化對(duì)沖角的影響相抵消，所以流道3內(nèi)分離泡變化不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定的作用，使得流道3出現(xiàn)了二次流動(dòng)分離。

在3T相位，流道5內(nèi)分離泡消失，而由于出口壓力增加，而進(jìn)口沖角受流道2影響減弱。

在4T、5T和6T相位，流道2出口大部分已經(jīng)越過了隔舌，使得流動(dòng)分離變?nèi)酰蛛x泡變小并向葉片壓力面收縮。流道2內(nèi)分離泡對(duì)相鄰流道進(jìn)口沖角影響也因此變?nèi)酢６艹隹趬毫χ饾u增大的影響，流道1內(nèi)流動(dòng)分離不斷發(fā)展，分離泡開始向流道中部擴(kuò)散。

圖5 不同流道內(nèi)滯止點(diǎn)軌跡

3.2 Q/QBEP=0.18工況下分離泡運(yùn)動(dòng)

分離泡的存在改變了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，影響了流道內(nèi)速度和壓力分布。流動(dòng)分離和分離泡的周期性變化會(huì)在流道中附加脈動(dòng)流場(chǎng)，加劇湍流強(qiáng)度，增加了流動(dòng)損失。為了研究和分析Q/QBEP=0.18工況下分離泡在流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，圖5給出了不同相位滯止點(diǎn)坐標(biāo)繪制滯止點(diǎn)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡。分離泡的滯止點(diǎn)是分離泡區(qū)域內(nèi)速度為零的點(diǎn)，分離泡內(nèi)其他位置的流體都繞滯止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，并且離滯止點(diǎn)距離越近，速度越小。圖5中相鄰兩點(diǎn)間的相位間隔 Δα相等，Δα=10°，C1～C5分別表示不同的葉輪流道。

由圖5可見，在流道1內(nèi)，分離泡從1T開始形成后，滯止點(diǎn)移動(dòng)軌跡近似呈線性。在流道2內(nèi)，從1T到4T，滯止點(diǎn)移動(dòng)軌跡仍然近似呈線性，但移動(dòng)速度逐漸降低；在4T相位時(shí)降到最小，對(duì)比觀察圖4可知，此時(shí)流道2出口中間正對(duì)隔舌；從4T到6T滯止點(diǎn)移動(dòng)向旋轉(zhuǎn)中心偏轉(zhuǎn)，移動(dòng)速度逐漸增加。在流道3內(nèi)，滯止點(diǎn)移動(dòng)軌跡逐漸向圓弧轉(zhuǎn)變，此時(shí)流道內(nèi)分離泡比較穩(wěn)定；在1T到3T間，滯止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)“折返”；對(duì)比分析圖4可知，1T相位的分離泡不穩(wěn)定，到2T時(shí)1T分離泡的前方發(fā)生了流動(dòng)分離，并形成了新的滯止點(diǎn)和分離泡，其結(jié)果是滯止點(diǎn)在1T到3T間發(fā)生“折返”。在流道4和5內(nèi)，滯止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡近似呈圓弧狀，流道內(nèi)分離泡比較穩(wěn)定；在流道5的3T相位之后，分離泡潰滅，滯止點(diǎn)隨之消失。

結(jié)合圖4分析可知，分離泡在葉片壓力面中部產(chǎn)生，隨葉輪旋轉(zhuǎn)發(fā)展，最后在葉片壓力面出口附近潰滅。在分離泡形成初期，滯止點(diǎn)在隔舌前(隔舌左側(cè))；分離泡和滯止點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)都不穩(wěn)定，滯止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡近似呈線性；在分離泡發(fā)展穩(wěn)定之后，滯止點(diǎn)在隔舌后(隔舌右側(cè))，滯止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)較為穩(wěn)定，滯止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡近似呈圓弧狀。在隔舌附近，分離泡的發(fā)展以及滯止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)受隔舌動(dòng)靜干涉作用影響明顯。

4 結(jié) 語

(1)在Q/QBEP=0.18工況，由于蝸殼周向的壓力不平衡，流動(dòng)分離和分離泡隨葉輪旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)出周期性的產(chǎn)生、發(fā)展和潰滅。由于流道進(jìn)口相互作用的影響，流動(dòng)分離和分離泡的周期性變化與流道出口壓力的周期性變化不一致。

(2)在分離泡形成初期，分離泡發(fā)展和滯止點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)都不穩(wěn)定，滯止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡近似呈線性；在分離泡發(fā)展穩(wěn)定之后，滯止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)較為穩(wěn)定，滯止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡近似呈圓弧狀。在隔舌附近，分離泡的發(fā)展以及滯止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)受隔舌動(dòng)靜干涉作用影響明顯。

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