全透明模型泵的設(shè)計(jì)及PIV流場(chǎng)測(cè)量

李 釗，倪福生，朱小偉，顧 磊

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；2.河海大學(xué)疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 常州 213022）

0 引言

泥泵是挖泥船作業(yè)中的重要設(shè)備之一。由于泥泵內(nèi)部固液兩相流動(dòng)的復(fù)雜性，人們對(duì)泥泵內(nèi)部固體顆粒流動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)存在差異，泥泵的設(shè)計(jì)一直以清水工況為主[1]。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款能夠全域觀察內(nèi)部流動(dòng)情況的全透明泥泵，用于研究泥泵內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律。為了能夠拍攝整個(gè)泥泵內(nèi)部的圖像，將泵的入口流道與驅(qū)動(dòng)軸置于同一側(cè)，滿足了PIV全域測(cè)量的要求。

1 模型泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及水力特性

模型泵的泵軸穿過(guò)入口流道，為避免泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)流體旋轉(zhuǎn)而惡化入水流態(tài)，在泵軸上增加軸套，水流沿軸套外環(huán)形通道進(jìn)入葉輪，模型泵的另一側(cè)加工成便于成像的平面，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模型泵入口流道結(jié)構(gòu)

為提高強(qiáng)度，有機(jī)玻璃葉輪采用整體式結(jié)構(gòu)，泵軸與葉輪之間用螺紋傳遞力矩，前蓋板與葉輪主體通過(guò)膠粘連接，葉片形狀為圓柱形，3片，如圖2所示。綜合流量、轉(zhuǎn)矩等多個(gè)因素，確定模型泵尺寸：葉輪直徑為200mm，葉輪寬度為25mm；由于有機(jī)玻璃的強(qiáng)度不高，泥泵的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為1 000r／min。

設(shè)計(jì)的模型泥泵主要是為了滿足PIV非接觸測(cè)量要求，沒(méi)有刻意追求水力性能。但作為固液兩相流體研究的載體，希望所設(shè)計(jì)的泥泵具有良好的水力性能[2-3]。為考察該泵的水力性能，在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行多次試驗(yàn)，得到了不同轉(zhuǎn)速下泥泵的H-Q及η-Q性能曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，泵的特性曲線光滑，變化趨勢(shì)正確，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下效率約為60%。

2 PIV拍攝結(jié)果分析

試驗(yàn)時(shí)，扇形激光穿過(guò)蝸殼射入泵內(nèi)，相機(jī)垂直于片光從蝸殼的正面進(jìn)行拍攝，這樣可以拍攝到葉輪及蝸殼全域的瞬態(tài)流場(chǎng)。采用空心玻璃球作為示蹤粒子，將泵的背面和連接螺紋孔涂成黑色以提高圖像的信噪比，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)除了泵軸末端和葉片末端等少數(shù)地方存在反光外，整個(gè)泥泵內(nèi)部畫面清晰，幾乎沒(méi)有拍攝死角。在電機(jī)的軸端安裝同步編碼器，采用外同步的鎖相技術(shù)，測(cè)量轉(zhuǎn)速分別為500r／min和1 000r／min 2種情況下的清水流場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)采用粒子圖像序列采集方法，對(duì)每一次采集的15組瞬時(shí)流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，獲得各轉(zhuǎn)速下的流場(chǎng)。這里僅選取葉輪中的一個(gè)流道進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，如圖4所示。同時(shí)將測(cè)量所得的絕對(duì)速度數(shù)據(jù)導(dǎo)入TECPLOT軟件，得到水質(zhì)點(diǎn)的絕對(duì)速度矢量。葉輪流道內(nèi)與坐標(biāo)軸平行的網(wǎng)格上的絕對(duì)速度分布如圖5所示。

根據(jù)絕對(duì)速度、相對(duì)速度以及牽連速度的矢量三角形關(guān)系，編程計(jì)算得到葉輪流道內(nèi)相對(duì)速度矢量。繪制了半徑r分別為60mm，70mm，80mm，90mm，100mm 5個(gè)不同半徑圓弧段上質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度，如圖6所示。

圖6 n＝不同轉(zhuǎn)速下相對(duì)速度矢量

根據(jù)圖5、圖6可以看到：①泵內(nèi)流體的絕對(duì)速度趨向于葉輪的旋轉(zhuǎn)方向，越靠近葉片的出口處，絕對(duì)速度越大；相對(duì)速度基本沿葉片間的流道方向，出口處近似沿葉片的切線方向甩出[4]；②整個(gè)流道內(nèi)，葉片吸力面附近的相對(duì)流速普遍高于同一半徑上壓力面附近的相對(duì)流速，從吸力面到壓力面呈下降趨勢(shì)，最高相對(duì)流速出現(xiàn)在吸力面的出口處，整個(gè)流道內(nèi)流動(dòng)呈非對(duì)稱性。

圖7為不同轉(zhuǎn)速下葉片吸力面和壓力面附近相對(duì)流速隨半徑的的變化情況，由此可以看出，隨著半徑的增大，吸力面和壓力面的相對(duì)速度大小均有增大趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速越高，增加越明顯。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下吸力面、壓力面相對(duì)速度

3 結(jié)束語(yǔ)

模型泵的清水PIV實(shí)驗(yàn)表明，全透明有機(jī)玻璃模型泵結(jié)構(gòu)合理，能夠滿足PIV全域測(cè)量要求。初步獲得的泵內(nèi)流體的絕對(duì)速度和相對(duì)速度矢量，以及葉片吸力面和壓力面附近流體的相對(duì)速度分布，符合離心泵葉輪內(nèi)流場(chǎng)的一般規(guī)律，為下一步實(shí)施水力輸砂固液兩相流研究奠定了基礎(chǔ)。

[1]高 瑛，李淑紅，李金生.船用挖泥泵內(nèi)部流動(dòng)研究[J]水泵技術(shù)，2005，（2）：29-30，38.

[2]Feng J，Benra F-K，Dohmen H J.Unsteady flow visualization at part-oad condition of a radial diffuser pump：by PIV and CFD[J].Journal of Visualization，2009，12（1）：65-72.

[3]李亞林，袁壽其，湯 躍.離心泵內(nèi)部流動(dòng)PIV測(cè)試研究進(jìn)展[J].水泵技術(shù)，2010，（5）：1-5.

[4]楊 華，劉 超，湯方平，等.采用PIV研究離心泵轉(zhuǎn)輪內(nèi)部瞬態(tài)流場(chǎng)[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2002，17（5）：547-552.