流體機械葉輪內部流場測試技術進展

甄昊 章佳雷

摘要：在社會經濟的帶動下，石油化工、制冷、動力等領域在不斷大力發展，由此促進了流體機械、水泵等的廣泛應用，而相關機械設備對電能的消耗量十分巨大，在我國全年的電量消耗中占比超過了30%，因此為了推動國家經濟建設的可持續發展，應從運行效率和可靠性等角度入手對這些設備做進一步加強。基于此，本文簡要闡述了流體機械葉輪內部流場測試技術，以期對相關設備運行效率以及可靠性的提升具有一定推動作用.

關鍵詞：流體機械葉輪;葉輪異常現象;內部流暢測試技術

在科學技術水平不斷提升的背景下，我國流體機械葉輪機械的各方面性能都得到了顯著提升，而且正在向著高效率、可靠以及小體積的方向不斷發展。國內外對這種機械設備研究一直以來都特別重視，流體力學研究過程中主要使用的工具，分為實驗流體力學和計算流體力學兩種，可使用這兩種工具獲得流體機械葉輪的流場數據，從而判斷機械的運行狀態，以及制定改進方案，以此可有效促進流體機械各方面性能的進一步提升。

一、影響流體機械性能的主要原因

第一，葉輪汽蝕。汽蝕可以嚴重影響流體機械的性能，導致整體性能大幅度下降，比如當水泵的葉輪發生汽蝕后，可明顯降低揚程和出水量，同時還會令葉輪出現過大震動，減少葉輪的工作壽命[1]。第二，設計制造。流體機械通常在設計制造階段都會經過設計、制造、性能檢測等多個環節，如果任何一個環節出現了問題都有可能導致無法順利完成生產制造工作，而且會嚴重影響機械性能。因此，相關人員一直在提升設計制造的技術水平，比如使用CFD技術等，從而將各種能夠影響機械性能的因素消滅設計階段。第三，葉輪的匹配。葉輪和擴壓器的匹配一直以來都是設計制造中的難題，需要從擴壓器喉部面積、二者之間的間隙等多個角度入手加以調整，另外滑動式軸承以其性能穩定、匹配度高等備受關注，目前是流體機械的研究重點。

二、流體機械葉輪內部流場測試技術

通過內部流場測試判斷流體機械的整體性能，然后根據整體性能判斷相關原因，接下來再根據具體原因加以改進即可推動流體機械的進一步發展。

（一）流像化技術

通常可將葉輪機械內部流動看成是定常和軸對稱的，以此為出發點，國外相關人員使用流像化技術測試了低轉速徑向葉輪離心泵內的流場狀況，經過測試后發現，試驗工況下的流動狀況和理想狀況之間存在一定差距，尤其在葉輪的出口位置的流動存在明顯不均勻現象，發現是負壓面上的死水區降低了葉片出口角度，同時在檢測二維無粘流動的符合性也發現了在設計工況下，吸力面會產生回流，而且分離區會隨著流量的減少而增加，因此軸對稱流動假設被推翻[2]。另外，其他研究人員的監測也證明了這一點，由此斷定死水區是必然存在的，但可以通過更新技術手段加以解決，從而減輕總壓損失。

（二）熱線風速儀技術

上世紀六十年代，國外科研人員深使用熱線風速儀檢測流體機械葉輪內部流場，發現在徑向葉輪出口處的流動情況非常不均勻，不均勻性同樣體現在了周圍氣流速度中，而且不能在其中發現規律，通常都會突然出現跳躍，由此提出了關于流體機械內部流場的射流-尾流理論[3]。這一理論的提出引發了該領域的科研熱潮，隨后經過不斷研究發現，葉輪的吸力面是低能流的主要集中場所。

（三）激光測量技術

這項技術在上世紀70年代開始被廣泛應用到流體機械葉輪內部流場的測試中，科研人員發現漩渦層存在滾動的低能流體，隨后利用激光測量技術測試了主流速度和激光波，隨后又有相關科研人員利用激光測量技術對徑向出流壓縮葉輪做了首次測試，對射流-尾流的形成過程做了詳細的描述，同時對流動結構利用數值法做了模擬，初次提出了射流-尾流的模型，獲得了相關領域的一致認可，同時也推動力了激光技術在流體機械葉輪內部流場測試中的普及，流體機械的后續發展提供了準確參考[4]。隨著激光技術的不斷發展，在流場測試中的應用也越發深入，能夠測試的流動情況更加全面，明確了速度分布以及流動特征在葉輪內部和出口處的實際特征。測試后彎葉輪后發現，其內部流動并沒有發生明顯的分離，而且尾跡也不是特別明顯，經過多次實驗后發現，增大葉輪出口處的角度，頂線的速度也會隨之提升，進而便會更容易產生的射流-尾流，反之則不容易出現的射流-尾流，同時詳細界定了射流-尾流的出現條件。這一研究結果證明，如果調整葉輪的幾何結構，那么完全可以改變其內部流場，因此從這一點入手提升流體機械的整體性能是完全可行的。

（四）粒子圖像測速儀技術

激光測量技術為單點測量，其主要針對的是平均情況下的流場情況，在非定常流動的測量方面的表現不是特比理想，隨后相關科研人員根據激光測量技術、計算機技術、激光電子技術研發了數字粒子圖像測速儀，這種技術可以將截面內的所有流動信息全部記錄，然后對截面上流場情況開展更全面、更徹底地分析，為提升流體機械內部性能打下了堅實基礎[5]。

結束語：

綜上所述，大量關于流體機械葉輪內部流場的研究，為機械性能的提升提供了有力保障，但目前影響機械性能的因素還無法徹底排除，因此相關研究還在繼續，將推動流體機械綜合性能的進一步提升。

參考文獻：

[1]石大立，黃昭，陳加瑞，等.葉輪式流體機械基于數值模擬仿真軟件的應用分析[J].數字技術與應用，2020，38（4）：3.

[2]Qingdong?Yan，Linus?Kirt，Wei?Wei，等.基于單流道瞬態仿真的旋轉流體機械偽集總葉片法研究[J].Beijing?Ligong?Daxue?Xuebao/Transaction?of?Beijing?Institute?of?Technology，2020，40（3）：243-249.

[3]閆清東，柯志芳，魏巍，等.基于單流道瞬態仿真的旋轉流體機械偽集總葉片法研究[J].北京理工大學學報，2020，v.40;No.301（03）：17-23.

[4]李星.基于數值模擬的流體機械內部流動數值模擬方法研究[J].中國設備工程，2019（12）.

[5]蘇博.基于XFLOW離心泵內部流場數值模擬[D].昆明理工大學，2019.

作者簡介：甄昊（2000.12-），男，漢，吉林榆樹，本科，單位：浙江理工大學，研究方向：流體機械。