導葉式混流泵多工況內部流場的PIV測量

李 偉，季磊磊，施衛東，周 嶺，張 揚

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導葉式混流泵多工況內部流場的PIV測量

李 偉，季磊磊，施衛東，周 嶺，張 揚

（1. 江蘇大學流體機械工程技術研究中心 鎮江 212013；2. 國家水泵及系統工程技術研究中心 鎮江 212013）

為研究不同流量工況下混流泵內部流動特性，該文基于粒子圖像測速技術（particle image velocimetry）對0.81.0、1.2倍流量工況下混流泵的內部流場進行試驗研究，測量獲得了混流泵葉輪進口軸截面、葉輪與導葉間隙和導葉內部流場的速度場分布，分析了流量變化對混流泵內部流動的影響。研究結果表明，外特性試驗重復性較好，試驗結果較為可靠。3個工況下混流泵葉輪進口流場的速度分布趨勢基本一致，進口的來流基本沿著軸線方向；隨著流量增加，葉輪進口速度不斷增大，最大速度達到7.49 m/s，從輪轂到輪緣高速區域速度梯度更為明顯，速度等值線分布逐漸形成以左上角為圓心，不斷向周圍遞減的趨勢。受動靜干涉作用影響，葉輪與導葉間隙流場速度分布較為紊亂，在導葉進口邊輪轂附近形成逆時針方向旋渦，誘使葉輪出口流體向外緣側偏轉；隨著流量增加，逆向旋渦明顯減小，內部流動更趨于平穩。動靜干涉效應進一步影響導葉進口流場并形成明顯的旋渦結構，造成流道堵塞；在導葉出口由于環形蝸室的影響形成大尺度旋渦結構；隨著流量增大，導葉外緣高速區向下游移動，導葉進出口的旋渦結構逐漸消失，流動損失減小。研究成果為揭示混流泵內部流動特性和優化混流泵設計提供參考。

泵；流場；葉片；粒子圖像測速技術；混流泵；多工況；內部流動

0 引 言

混流泵廣泛應用于農業排灌、城市供排水、大型水利工程、艦船噴水推進、海水脫鹽系統以及火力發電和核電站的循環水系統等領域[1-3]，在國民經濟建設中發揮著重要作用[4-8]。在混流泵內，葉輪進出口流場、導葉內部流場的流動狀況直接影響葉輪的做功和壓能轉換效率，進而影響泵的性能，也對泵的穩定運行產生重要影響[9-12]。因此，深入探索混流泵全流場的流動規律，對混流泵的優化設計具有重要意義。

目前，基于拉格朗日質點運動研究流體運動的非接觸式粒子圖像測試技術（particle image velocimetry）已成為研究葉輪機械內流場的一種先進測試手段[13-16]。Paone[17]應用了粒子圖像測速技術測量了運行在不同流量工況點下的離心泵擴壓器內的流場速度，并將測量結果和激光多普勒試驗的結果進行了對比。Stoffel等[18]通過PIV技術對葉輪和蝸室之間的匹配關系進行了研究，通過試驗結果分析后發現，當蝸殼基圓與葉輪外徑之間的間隙達到一定程度后，蝸殼對葉輪的影響變小，但葉輪出口沿軸向分布仍然不均勻。Miner等[19]利用PIV測試手段對一臺有導葉的離心泵進行了內部流場測量，發現隔舌上的駐點隨著流量的增大從外部移動到了內部。Pedersen等[20]利用PIV技術和激光多普勒對一臺6葉片的離心泵進行了內部流場測量，通過對比發現二者試驗結果近乎一致，而Feng等[21]和Stickland等[22]也分別利用離子圖像測速技術對具有多葉片葉輪的離心泵內流場進行了相關試驗和數值分析。雖然國內將PIV應用于旋轉機械內部測量的時間較晚，但近幾年也取得了很多的研究成果。郞濤等[23]以一臺低比轉速前伸式扭曲雙葉片污水泵為研究對象，采用了PIV技術測量了污水泵葉輪內部流場的相對速度分布，探討分析了軸向旋渦和低速區隨流量變化的形態特性，發現當軸向旋渦經過蝸殼隔舌時，干涉作用使得軸向旋渦向下游偏移；Wang等[24]采用PIV測試技術和CFD數值計算手段對雙流道泵設計工況、零流量工況下不同截面處的內部流場進行了測量。Zhang等[25]為了研究軸流泵內動靜干涉對內流場的影響，利用PIV技術研究了軸流泵葉輪和導葉之間相干流場的流動特性，研究發現在干涉區域不僅出現了不規則軸向旋渦，并且進一步加劇了動靜干涉作用。Wu等[26]利用熒光粒子和透光顆粒流體并基于PIV測速手段對工作在設計工況下的離心泵進行了內流場測量，并運用DES（detached eddy simulation）模型對其內部的三維非定常流動進行了數值模擬。Zhou等[27]也分別利用數值模擬和PIV技術結合分析的手段對離心泵內流分布進行了相關研究。王玲花等[28]利用PIV流場測試技術，對低比速混流式模型水泵水輪機轉輪在水輪機工況下進行了可視化研究，結果表明用流動可視化理論與試驗結合的方法可以得到水輪機工況下的內部流場速度矢量圖。但截至目前，針對混流泵內流場的PIV測量研究相對較少。席光等[29]利用PIV技術對設計流量及變流量工況下葉輪內部的流動進行了測量，研究表明混流泵在小流量工況下在葉頂和中間葉高截面內會出現回流現象。Nagahara等[30]利用高速攝影機及粒子圖像測試技術對斜流泵進口處的水下旋渦運動及旋渦周圍速度分布進行了觀察與測量，描述了旋渦強度和旋渦對水力性能影響之間的關系。

本文基于PIV測試技術，試驗測量了混流泵葉輪進口軸截面、葉輪與導葉間隙和導葉內部流場的速度矢量場，探索分析了流量變化對混流泵內部流動的影響，為掌握不同流量工況下混流泵內部流動特性提供了參考依據。

1 試驗系統

1.1 研究對象

本文研究模型為一臺低比轉速混流泵，模型的具體參數如下：流量des=380 m3/h，揚程=6m，轉速= 1450 r/min，比轉數s=480。葉片數=4，導葉葉片數d=7。圖1所示為PIV試驗用混流泵模型泵實物圖，模型的轉輪室和進水段端壁均由有機玻璃加工而成。

圖1 混流泵模型

1.2 試驗裝置

為測量不同流量工況下混流泵內部流動特性，搭建如圖2所示的試驗裝置系統。

1. 混流泵 2. 試驗管路3. 穩壓罐

試驗中，扭矩的測量采用的是ZJ型轉矩轉速測量儀，其額定的轉矩100 N·m，齒輪的齒數180，測量的精度0.2級，轉速的測量范圍為0～6 000 r/min。流量的測量采用的是上海自儀九生產的精度為0.5的LWGY型渦輪流量計，進出口壓力的測量采用的是麥克公司生產的精度為0.5%FS的MPM型壓力傳感器，這些通過傳感器獲得的能量性能參數均由HSJ-2010水力機械綜合測試儀采集并傳輸至計算機進行數據處理。試驗臺達到1級精度要求，流量工況的變化通過調節出口管路上的調節閥開度來實現。

在進行PIV測量試驗中，采用美國TSI公司的商業粒子圖像測速系統，其主要裝置和設備包括YAG200- NML型脈沖激光器、PIV專用630059POWERVIEW 4MP型跨幀CCD相機、610035型同步控制系統、610015-SOL型光臂及其片光源系統、圖像采集分析軟件Insight 3G等。

2 PIV試驗方法

2.1 示蹤粒子選擇與添加方法

PIV測試結果的精度受示蹤粒子的影響較大，在本文的試驗中，采用了二氧化硅空心玻璃球作為示蹤粒子。該粒子直徑為20～60m，材質密度為1.05 g/cm3。通過試驗已經證明了該種粒子具有良好的跟隨性和散射性。為將示蹤粒子添加進測試管道中，先將試驗臺內部充滿足夠多的水（水面位置約為穩壓罐高度的4/5），然后開啟混流泵使試驗系統水流循環起來，關閉所有通外閥門，再打開真空泵使得穩壓罐頂部的氣體為負壓，此時將盛有示蹤粒子與水混合后的容器與試驗臺上的通外閥門相連，利用負壓將示蹤粒子吸入試驗臺內并與水流一起循環。

2.2 標定裝置及方法

PIV試驗過程中的標定準確度對測試結果有決定性的影響。考慮試驗泵的拆卸麻煩，為了試驗精度和可行性，加工一個半邊形狀和有機玻璃端壁一致的標定水箱進行PIV試驗標定，如圖3所示，水箱上方敞開，方便標尺的放入和充水。

圖3 標定水箱

試驗開始前，固定好托架，將標定水箱置于托架上方，先調整標定水箱至水平，再調整標定水箱的相機側外表面與轉輪室同一側面位于同一垂直面內。位置調整完成后，放入曲率與標定水箱完全一致的標尺底座，標尺位于底座上表面，試驗中將標尺帶有刻度的端面調整至與所拍攝平面相一致，最后再將相機移動到與標尺同一水平面進行標定。如圖4所示。

2.3 相機固定方式

試驗過程中，鏡頭組支架的底座固定在升降臺上，且與軸線平行，支架的升降桿與底座相互垂直，桿頭水平并掛有鏡頭組固定裝置，相機和鏡頭組的位置關系如圖5所示。該裝置保證了鏡頭組的、、3個方向的自由移動及固定，相機則被安裝在專用支架上，能夠自由進行移動和固定。

1. 激光臂 2. CCD相機3. 計算機

3 試驗測量工況與測試方案

在試驗開始時，先將進口閥門開度調至最大，然后再將試驗管路進出口閥門開度調節到最大，之后再啟 動變頻器并調節變頻器頻率使得混流泵轉速穩定在1 450 r/min。在試驗進行過程中，逐漸減小出口閥門開度，待各傳感器數據偏差不大并且流量計讀數穩定后分別記錄不同流量點的試驗數據，本次試驗一共測試15個工況點，通過計算機中的泵產品參數測量軟件自動計算，求得了混流泵的揚程和效率。為盡可能減小測量中的隨機誤差，關閉電源停機，待管路內流體重新穩定，進行重復性試驗，驗證試驗臺和試驗方法的可靠性。

在進行能量性能試驗的同時，同步進行了混流泵葉輪和導葉內部流場的PIV測量，分別獲取0.8、1.0、1.2倍流量工況下混流泵進口軸截面流場、葉輪與導葉間隙流場、導葉內部流場的信息。在PIV試驗過程中，拍攝了不同流量下同一截面內的流場結構，葉輪進口、葉輪和導葉間隙流場的拍攝截面經過混流泵旋轉軸線并垂直于水平面。由于PIV拍攝時有導葉葉片剛好位于拍攝的中間截面內，因此，在進行導葉內流場測量時將拍攝截面向相機所在位置偏移了5 mm進行拍攝，拍攝截面及區域示蹤粒子效果如圖6所示。

圖6 PIV試驗示蹤粒子效果圖

4 試驗結果與分析

4.1 能量性能試驗結果

為了準確地得到混流泵的外特性結果，對模型泵進行重復性試驗，重復性試驗性能曲線如圖7所示。從圖中可以看出，2次外特性測量結果比較集中，曲線趨勢基本完全一致，最大誤差不超過5%，說明試驗結果較為可靠。

圖7 重復性外特性試驗曲線

4.2 PIV測試結果與分析

4.2.1 葉輪進口前軸截面流場分布

葉輪進口前軸截面流場分布如圖8所示，拍攝截面為過軸心線的子午面。圖中橫坐標為拍攝截面軸向距離縱坐標為拍攝截面徑向距離。從圖8可以看出，3個工況下，在混流泵的進口流場中，流體的速度分布趨勢基本一致，在葉輪前部進水段中，葉輪進口的來流基本沿著軸線方向；在葉輪進口前部附近區域，PIV試驗結果均存在一個豎直的高速區域，高速區域從輪轂向輪緣處不斷增強，這是由于葉片形狀所造成，由于葉片進口邊外緣距離來流方向最近，且半徑最大，在相同轉速情況下，葉片進口邊外緣的圓周速度最大，對該處流體的影響較大，預旋和加速作用明顯，因此，出現從輪轂向輪緣不斷增強的高速區域。同時，在進口外緣端壁處還分別出現一個低速A區域，該區域可能是由于輪緣間隙泄漏流形成的低速渦流，也可能是由于有機玻璃段中進水段和葉輪室存在過渡圓角引起光線折射而在此區域出現錯誤速度場。

注：Qdes為設計流量380 m3·h-1；X為拍攝截面軸向距離；Y拍攝截面徑向距離。下同。

對比不同流量下葉輪進口速度場分布可以發現，隨著流量增加，葉輪進口速度不斷增大，最大值從5.18 m/s增加到7.49 m/s。根據1.2des工況下的流量和速度三角形，可知該點處的圓周速度和軸向速度分別為6.32和4.06 m/s，合成速度約為7.51 m/s，理論分析結果與試驗結果基本一致，試驗結果較為可靠。同時，存在的豎直高速區域從輪轂到輪緣速度梯度更為明顯，速度等值線分布逐漸形成以左上角為圓心，不斷向周圍遞減的趨勢。而低速的A區域有所增大，這與隨著流量增加泄漏流減弱的經驗判斷不一致，故而推斷該區域更多是由于光線折射引起錯誤流場信息。

4.2.2 葉輪出口與導葉間隙流場分布

獲得葉輪出口與導葉間隙流場的速度場分布如圖9所示。從圖9中可以看出，因葉輪和導葉相互干涉影響，不同流量工況下葉輪與導葉軸向間隙內的速度分布較為紊亂，存在較大的速度梯度。在轉輪室的端壁邊緣附近，由于壁面邊界層的影響使得流體的流速較小；同時，在導葉進口邊輪轂側附近，3個工況PIV試驗結果均捕捉到一個明顯的回流旋渦，其旋轉方向為逆時針方向；該旋渦阻塞了一部分葉輪出口流道，使得葉輪出口以后的流體向外緣側偏轉，在外緣壁面摩擦阻力和輪轂處旋渦阻塞共同作用下，葉輪與導葉軸向間隙內中部絕對速度較高。

對比不同流量下葉輪出口與導葉間隙流場速度場分布可以發現，0.8des工況下間隙流場最為紊亂，流線分布嚴重不均，并在導葉進口邊輪轂側出現占據間隙流場三分之一以上區域的回流旋渦B，回流旋渦與端壁低速區一起堵塞了近二分之一流道。隨著流量增加，端壁低速區域和導葉進口邊輪轂側的旋渦明顯減小，動靜干涉效應相對減弱，內部流動更趨于平穩，在1.2des工況下導葉進口來流近似平行于端壁面進入導葉流道，流線光滑平順，并在葉輪與導葉軸向間隙中部形成高速集中區域，最大速度為4.21 m/s。

圖9 葉輪和導葉中間截面PIV測量結果

4.2.3 導葉內部流場分布

獲得導葉內部流場速度分布如圖10所示。從圖10可以看出，與間隙區域流場一樣，流體因葉輪和導葉的動靜干涉，在導葉進口處形成旋渦C，旋渦使得導葉進口過流面積減小，排擠系數變大，堵塞部分流道，并在端壁和導葉流道的規整下，致使液流在端壁邊界附近形成明顯的高速流動區域，流動速度分布在3.29至3.95 m/s之間，葉輪出口液流沿圓周方向的速度分布也逐漸被梳理為呈軸向傾斜向下的運動趨勢。同時，受出口環形蝸室的影響，在導葉出口和環形蝸室連接處的D區域出現了大尺度的旋渦結構，造成了能量損失。

隨著流量增大，導葉流道主流獲得的動壓能不斷增大，導葉外緣高速區向下游移動，內部高速區域逐步擴大，動靜干涉效應相對減弱，導葉進口的旋渦結構逐漸消失，導葉出口和環形蝸室連接處的旋渦結構尺度也有所減小。在1.2des工況下導葉對液流的規整作用充分體現，流動非常平穩，沒有出現明顯旋渦流動，此時測試平面內流體的平均速度約為3.0 m/s。

圖10 導葉內部截面PIV測量結果

5 結 論

1）混流泵葉輪進口流場的PIV測量結果表明，三個工況下葉輪進口流場的速度分布趨勢基本一致，進口的來流基本沿著軸線方向。隨著流量增加，葉輪進口速度不斷增大，最大速度達到7.49 m/s，從輪轂到輪緣高速區域速度梯度更為明顯，速度等值線分布逐漸形成以左上角為圓心，不斷向周圍遞減的趨勢。

2）混流泵葉輪出口與導葉間隙流場的PIV測量結果表明，受動靜干涉作用影響，不同流量工況下葉輪與導葉軸向間隙內的速度分布較為紊亂，在導葉進口邊輪轂側附近存在明顯的逆時針方向旋轉的旋渦，并使得葉輪出口流體向外緣側偏轉。隨著流量增加，逆向旋渦明顯減小，內部流動更趨于平穩，在1.2des工況下葉輪與導葉軸向間隙中部形成高速集中區域，最大速度為4.21 m/s。

3）混流泵導葉內部流場的PIV測量結果表明，葉輪和導葉的動靜干涉進一步影響導葉進口流場并在導葉進口處形成明顯的旋渦結構，造成流道堵塞。同時，受出口環形蝸室的影響，在導葉出口形成大尺度旋渦結構。隨著流量增大，導葉外緣高速區向下游移動，導葉進出口的旋渦逐漸消失，流動損失減小。

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Li Wei, Ji Leilei, Shi Weidong, Zhou Ling, Zhang Yang

(1.212013,; 2.212013,)

In this study, a low specific speed mixed-flow pump with guide vanes was investigated experimentally. In order to study the internal flow characteristics in this mixed flow pump under different flow conditions, the internal flow of mixed flow pump under 0.8, 1.0, 1.2 times of the designed flow conditions were studied in this paper based on the particle image velocimetry (PIV) technology. Firstly, the external characteristics of mixed flow pump were acquired after conducting the repeated experiment. Then, the velocity distribution of internal flow field in mixed flow pump at inlet axial cross section of impeller, section clearance between impeller and guide vane and section in guide vane were measured. Moreover, the influence of flow rate change on the internal flow in mixed-flow pump was analyzed. The research results showed that the experimental repeatability of external characteristic was preferable and the result of experiment was reliable. The PIV experiment results showed that the distribution of velocity vector, velocity counter and vortex structure in the mixed-flow pump were greatly affected by the changing of the flow rate conditions. The velocity distribution of impeller inlet was consistent under three flow condition and the incoming flow from impeller inlet was along the axis direction. The velocity of impeller inlet increases with the flow rate increasing and the maximum speed can reach to 7.49 m/s. The velocity gradient of high speed zone from hub to rim was higher and the center of the distribution of contoured velocity was on the upper left corner which was decreasing to around continually. A high velocity area appeared vertically near the impeller under different flow rate conditions during the PIV experiment and the velocity of the fluids increased from the hub to the rim which was caused by the structure of the impeller blade. When the rotating speed was constant, the circumferential velocity of the blade near the rim was much bigger which had a great impact on the fluids nearby. The velocity distribution of gap flow field between impeller and guide vane was disordered which was affected by the rotor-stator interaction when the mixed pump operated. The anticlockwise vortex was formed at the inlet edge of guide vane near the hub and the fluid flowing from the impeller outlet was induced to the blade edge. With the increase in flow rate, the anticlockwise vortex tended to be smaller and the internal flow tended to be steady. Under the large flow rate condition, the maximum velocity of fluids almost reached 4.21 m/s in the middle of the axial clearance between the impeller and guide vanes. The flow field near the guide vane inlet was further influenced by the rotor-stator interaction and then the vortex structure was formed obviously which caused the flow passage congestion. Also, the fluids were structured by the end wall and the flow passages so as to the high velocity zones appeared near the end wall, and the velocity of fluids varied from 3.29 m/s to 3.95 m/s. At the same time, the velocity distribution of the fluids in the circumferential direction that flowed from the impeller also showed the movement axially and obliquely.The large scale vortex structure was formed at the guide vane inlet because of the effect of circular volute chamber. With the increase in flow rate, the high speed zone on edge of the guide vane moved to the downstream, the vortex structures at the guide vane inlet and outlet gradually disappeared while the flow losses decreased. The research results provided reference for revealing the internal flow characteristics of mixed flow pump. Moreover, the analysis of the internal flow fields could optimize the design of impeller of mixed flow pump.

pumps; flow fields; blade; particle image velocimetry; mixed-flow pump; different flow rate conditions; internal flow

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.011

TH313

A

1002-6819(2016)-24-0082-07

2016-04-02

2016-10-25

國家自然科學基金項目(51409127、51679111、51579118)；江蘇省重點研發計劃項目(BE2015119、BE2015001-4)；江蘇省六大人才高峰項目(HYZB-002)；江蘇省自然科學基金項目(BK20161472)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)。

李偉，男，河南人，副研究員，博士，主要從事流體機械的研究。鎮江江蘇大學流體機械工程技術研究中心，212013。Email：lwjiangda@ujs.edu.cn