泵與風機PIV實驗的示蹤粒子撒播技術研究

張振剛,凃程旭,包福兵,尹招琴,吳逸洋

(中國計量大學 計量測試工程學院,浙江 杭州 310018)

粒子圖像測速技術(Particle image velocimetry,簡稱PIV技術)是30年前迅速發展起來的一種瞬態、非接觸的整場測速方法[1]。近30多年來得到了不斷完善與發展,PIV技術的特點是超越了單點測速技術(如熱線測速)的局限性,能在瞬間(一般從數百納秒到幾百微秒)記錄下測量區域的速度分布信息[2],因此PIV結果可測量各種工程結構與自然流場的空間結構以及場流動特性,故應用廣泛,也是截至目前驗證CFD(計算流體力學)結果的最佳實驗方法[3]。如圖1為PIV原理示意圖所示[4]。PIV測量待測流場時,CCD相機將對激光照射示蹤粒子后激發的熒光進行捕捉,這樣相機可以獲得每一個激光脈沖同步對應的CCD圖像。一對粒子圖像在已知時間步長的兩個相鄰時刻被捕捉,稱為一粒子圖像對。粒子圖像對處理求取速度場時,待測的研究區域會被劃分成整齊排列的一個個小區域,稱為判問域。最后,通過自相關算法(或互相關算法)求得兩幅粒子圖像上對應判問域內的所有粒子在此時間步長發生的位移,判問域上所有粒子位移的平均值就表征這個判問域的速度矢量。算出每個判問域的速度,便重構出研究區域的瞬態速度場。

圖1 PIV原理示意圖Figure 1 Schematic diagram of Particle Image Velocimetry (PIV)

泵與風機是工業體系與生活基礎設施中極其重要的兩類流體機械,了解其內部流場對提高它們的工作性能、降低運行噪音、解決水泵汽蝕與風機喘振起關鍵作用[5,6]。PIV技術獲得可靠的PIV實驗結果,除了圖像處理算法的影響外,最關鍵的就是獲得清晰度與對比度高的粒子圖像,而這都基于待測流場中撒播的粒子大小(考慮跟隨性與散射強度)與濃度合適、粒子空間分布均勻。示蹤粒子在流場中跟隨性與分布的均勻程度會對測量結果產生很大的影響,Keane和Adrian(1990)指出每個判問域最小的示蹤粒子數量不能少于15個,粒子撒播技術是PIV實驗結果成功、可靠與否非常關鍵的一環[7]。對于泵與風機這類旋轉流場,示蹤粒子的撒播面臨的挑戰更大,一方面粒子撒播的導入管難于準確定位到旋渦中心,而且離心力的作用會使粒子濃度的降低;另一方面,這類流場的流速一般較大,往往面臨著示蹤粒子發生速率和撒播擴散速率偏低等問題。針對這一問題,陳瑩[8]等人研究了風洞流場中不同種類方式散播示蹤粒子,與Smith等人的工作類似[9],即在風洞實驗段下游撒播示蹤粒子并使粒子在風洞內循環,最終達到均勻分布。榮臻[10]等人通過高溫高壓氣體作為示蹤粒子的驅動力將示蹤粒子加入風動管路,從而獲得濃度合適分布均勻的粒子分布,發現部分粒子出現了聚團現象。汪志武[11]在研究低比速離心水泵的PIV實驗中,事先將示蹤粒子在水管內進行攪拌,使得粒子均勻撒布。但是對于大流量大體積的泵與風機,均勻撒播示蹤粒子以及如何保證粒子濃度是首要難題。本文將主要針對PIV測試系統在大流量泵與風機中,研究示蹤粒子的撒播技術。

1 實驗裝置與方法

1.1 PIV系統

本文泵與風機兩個實驗均采用德國Lavision公司生產的PIV系統,該系統由雙脈沖Nd:CCD相機、YAG激光器、計算機系統及同步控制器組成。其中,激光器發出532 nm的綠光,其額定脈沖能量為125 mJ,激光重復率為15 Hz。CCD相機型號為Imager Prox,像素為2 M(1 600 pixel×1 200 pixel),具有12位灰階,最小的曝光時間間隔低于120 ns,能夠實現對高速瞬態流場的測量。PIV的硬件控制和所有的數據采集及圖像后處理由德國Lavision提供的DaVis7.2軟件操作完成。

1.2 雙吸泵PIV實驗

本文對雙吸離心泵原型泵體進行局部機械改造,構造PIV實驗區域的透明化,以滿足CCD相機拍攝的要求。圖2是雙吸泵PIV實驗模型的實物圖,圖3給出了激光片光源透射區域的局部剖面圖。粒子圖像的采集頻率為10 Hz。

圖2 雙吸泵PIV實驗裝置Figure 2 PIV experimental set-up of double-suction pump

圖3 油煙機PIV實驗原理圖Figure 3 Schematic diagram of PIV measurement of range hood

由于雙吸泵模型的流量較大,采用非循環直排式的測量管路系統在示蹤粒子的預混合和撒播上無法確保實驗要求的粒子濃度和均勻性,同時直排式的管路系統也會浪費大量的示蹤粒子,一般的單分散失蹤粒子比較昂貴,當被測流體流量較大時經濟性較差,大大增加了實驗成本。測量液體時,一般都是在循環的回路當中,所以液體中的示蹤粒子撒播可以在實驗流動開始前,將其懸浮液預先投入被測流體,進行循環達到均勻分布[8]。雙吸泵的PIV實驗裝置如圖2,示蹤粒子采用玻璃微珠,尺寸10～50 μm,約300 g的玻璃微珠與15 L的水進行預混合,攪拌均勻后,投入750 m3的水池中。此時,預混合的玻璃微珠和水的混合物并不能迅速地擴散,達到均勻的分布。為了使得玻璃微珠盡快擴散,啟動雙吸泵,讓玻璃微珠隨水循環流動一段時間。通過實際測量可知,這個循環的時間約為10 min。預混10 min后,玻璃微珠在粒子圖像中的分布已較為均勻,濃度也適中,獲得的粒子圖像清晰度較高,而粒子圖像對在研究區域內的相關性很高,符合互(自)相關算法的要求。

1.3 油煙機PIV實驗

針對以往難測量、粒子不均勻等問題,本文提出一種示蹤粒子撒播的方法:將油煙機安裝在一個較大尺度的封閉空間內,在封閉空間內撒播示蹤粒子并持續一段時間,使封閉空間整體示蹤粒子濃度達到PIV實驗要求。運行油煙機一段時間,使得油煙機內部的示蹤粒子濃度與油煙機外封閉空間的示蹤粒子濃度通過循環流動達到平衡,散布均勻,然后由激光片光源激發測量區域,CCD相機同步捕捉粒子圖像。當油煙機開始運行后,在油煙機外的封閉空間與油煙機內部之間形成循環氣流,由于封閉空間內充滿了示蹤粒子,因此，可近似認為進入油煙機的氣體里包含均勻分布的示蹤粒子。由于封閉空間內的粒子濃度掌握得當,加上封閉空間的體積要遠大于油煙機內部體積,結果表明這些損失并不會對PIV粒子圖像的質量造成影響。由此可大大延長PIV實驗可持續時間,而不受流場速度和尺度的局限。

本實驗采用的示蹤粒子是Laskin噴嘴發生的1～10 μm的橄欖油“油霧”[12]。這種方法非常適合應對大功率大流量風機內部流場PIV實驗,尤其是對風機進口段和出口段有開放要求、難以采用管路封閉形成循環管路系統的情況。

2 結果與分析

2.1 雙吸泵內部流場

由不用流量下葉頂間隙測量區域的速度矢量場圖(圖4)可知,速度整體分布均勻、過渡平緩,并未見任何速度大小異常的“偽矢量”。速度場中存在著一些流速明顯區別于該周圍流動速度的點,使得整個流場中的速度不是均勻平滑過渡的,稱之為“偽矢量”予以剔除。“偽矢量”是評價粒子圖像質量高低一個非常重要的指標。此外,測量區域內抽取的若干點的互相關函數都呈明顯的單峰值分布,結果表明粒子圖像對的質量較好,所采用的玻璃微珠的撒播技術提升雙吸泵的內流場PIV測量效果明顯。與此類似,雙吸泵出口測量區域的速度矢量場(圖5)也未見“偽矢量”,且粒子圖相對的互相關函數分布呈顯著的單峰分布,表明出口測量區域的粒子圖像質量也較高,粒子撒播對其同樣有效。

圖4 不同流量下葉頂間隙測量區域速度場Figure 4 Velocity distribution of tip-leakage under different flow rates

圖5 不同流量下雙吸泵出口測量區域速度場Figure 5 Velocity distribution of double-suction pump outlet under different flow rates

從速度等值線圖上看,隨著流量的增大葉頂間隙區域內的速度大小整體變化不大,而速度的分布更趨均勻,當流量達到201 m3/h時,速度分布又開始出現不均勻分布;出口測量區域的速度則隨流量的增大明顯增大,速度的方向也略有向上偏轉。當流量達到209 m3/h時,速度偏轉的角度反而減小。結果表明,在額定流量點附近195 m3/h,出口測量區域的速度分布整體最為均勻,額定流量點以下葉頂間隙的速度分布較為均勻,額定點附近速度分布最為均勻的同時速度整體也最大,超出額定點則在靠近蝸殼壁面區域又開始出現不均勻速度分布且速度整體下降。

葉頂間隙與出口兩個測量區域平均速度與流量的關系曲線存在很大差異。由圖6可知,葉頂間隙的平均速度及其漲落幾乎不受流量變化影響,分別在20 m/s與4 m/s左右。相比之下,在出口測量區域,PIV測得的區域平均速度則隨流量的增加有明顯的線性增加趨勢,而同樣條件下發現,兩次重復的實驗結果在165 m3/h之前吻合性較好,但在165 m3/h之后則呈現明顯偏差,說明大流量下該區域的速度分布較不穩定。出口測量區域的相對速度漲落在流量額定點附近達到最小,約為10%～12%,而在遠離額定點的小流量和大流量區,相對速度漲落都大于20%。由圖7中的汽蝕數據點可知,與水泵正常工作時的平均速度相比,發生汽蝕時出口測量區域的平均速度有較大幅度的下降,幅度可達40%。

圖6 葉頂間隙測量區域平均速度與流量關系曲線Figure 6 Relationship between average velocity of tip-leakage and flow rate

圖7 出口測量區域平均速度與流量關系曲線Figure 7 Relationship between average velocity of outlet and flow rate

2.2 油煙機PIV內部流場

運用上述油霧粒子的發生和撒播方法,在經過一定時間(單個煙霧發生器約15 min,密封空間體積約200 m3)的示蹤粒子撒播,油煙機運行2 min左右就能將示蹤粒子均勻充滿整個測量區域。捕捉的PIV粒子圖像除了整流板、壁面附近區域外,示蹤粒子清晰可見,如圖8,可以初步表明粒子圖像的質量較好。進一步的,由粒子圖像對上不同位置上互相關函數突出的單峰分布充分說明相鄰時刻捕捉的粒子圖像對之間的相關性很強,基于該粒子撒播技術獲取的油煙機內粒子圖像質量完全符合PIV速度矢量場的求解要求。最后由粒子圖像對求解得到的時均速度場,速度矢量分布均勻、有規律;而流線連續有規則,特別是風機入口橫向剖面先后測量的4個分區結果拼接出完整、清晰的二次流。可見,上述撒播示蹤粒子發生與撒播技術對大流量風機等類似場合確實可行且效果良好。圖9和圖10給出了油煙機內的流線圖和速度矢量圖。從四個先后測量的風機入口橫向剖面分區的速度矢量場和流線圖可知,風機入口存在大尺度的二次流,即完整的大尺度逆時針旋渦,離心入口附近布置的整流板仍無法將這個大尺度旋渦切碎。縱向時均速度場與流線圖則表明,離心風機入口的速度分布不均勻,風機入口下部由于距離油煙機整體進風口較近,其所在區域的進風速度明顯較大,越往上部進風速度越小,這會導致離心葉輪較大的偏載,一定程度上增加了油煙機的運行噪音[13]。

圖8 油煙機入口橫向剖面粒子圖像Figure 8 Particles images on the cross section at the inlet of range hood

圖9 油煙機入口橫向剖面流線圖Figure 9 Distribution of streamlines on the cross section of range hood inlet

圖10 油煙機內入口縱向剖面PIV結果Figure 10 PIV results of the vertical section of range hood inlet

3 結 論

本文針對較大流量、大尺寸的泵與風機進行PIV實驗時,示蹤粒子發生速率與粒子撒播不均勻影響PIV實驗結果的問題,分別提出了針對大功率雙吸泵和離心風機的示蹤粒子撒播方法。對于大功率雙吸泵,利用在循環水池內預先投放適量玻璃微珠,并由雙吸泵運行一定時間對示蹤粒子進行強迫擴散和循環均勻撒播,獲得良好的示蹤粒子撒播效果,結合原型泵上改造出的葉頂間隙與出口兩個測量區域,最終獲得不同流量下這兩個區域的速度分布。結果表明,葉頂間隙的速度大小與分布隨著流量的增加變化不大;出口局部測量區域的區域平均速度隨流量的增加而增加,速度脈動在額定流量點附近達到最小。由于PIV測量的水泵模型是在其原型上直接進行機械改造得到的,因此相比于前人傳統的水泵PIV測量模型為整體透明或是壓水室蓋板之一加工成透明,其測量模型的制造難度及加工成本將大大降低。選擇壓水室出口上游與多個葉頂間隙作為測量區域可以更加全面準確地反映離心泵內全局流場信息。

而對于大流量油煙機,本實驗采用的示蹤粒子是Laskin噴嘴發生的1～10 μm的橄欖油“油霧”,跟隨性較好。預先在較大封閉實驗空間內撒播合適濃度的示蹤粒子(油霧),隨后運行油煙機一段時間,使得油煙機內部的示蹤粒子與封閉空間內充滿的示蹤粒子達到平衡、均勻,從而滿足PIV速度矢量場的求解要求,即獲得高互相關性與分辨率的粒子圖像對。這種方法較之前示蹤粒子通過圓管直接注入油煙機撒播更均勻。

泵與風機的實驗結果都表明本文給出的粒子撒播方法對于大流量的泵與風機內部流場PIV測量具有較好效果,即可幫助獲取高質量的粒子圖像與速度矢量場。