甄昊 章佳雷

摘要：在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的帶動(dòng)下，石油化工、制冷、動(dòng)力等領(lǐng)域在不斷大力發(fā)展，由此促進(jìn)了流體機(jī)械、水泵等的廣泛應(yīng)用，而相關(guān)機(jī)械設(shè)備對(duì)電能的消耗量十分巨大，在我國(guó)全年的電量消耗中占比超過(guò)了30%，因此為了推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)從運(yùn)行效率和可靠性等角度入手對(duì)這些設(shè)備做進(jìn)一步加強(qiáng)。基于此，本文簡(jiǎn)要闡述了流體機(jī)械葉輪內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，以期對(duì)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行效率以及可靠性的提升具有一定推動(dòng)作用.

關(guān)鍵詞：流體機(jī)械葉輪;葉輪異?，F(xiàn)象;內(nèi)部流暢測(cè)試技術(shù)

在科學(xué)技術(shù)水平不斷提升的背景下，我國(guó)流體機(jī)械葉輪機(jī)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(fā)展。國(guó)內(nèi)外對(duì)這種機(jī)械設(shè)備研究一直以來(lái)都特別重視，流體力學(xué)研究過(guò)程中主要使用的工具，分為實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)兩種，可使用這兩種工具獲得流體機(jī)械葉輪的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，從而判斷機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，以及制定改進(jìn)方案，以此可有效促進(jìn)流體機(jī)械各方面性能的進(jìn)一步提升。

一、影響流體機(jī)械性能的主要原因

第一，葉輪汽蝕。汽蝕可以嚴(yán)重影響流體機(jī)械的性能，導(dǎo)致整體性能大幅度下降，比如當(dāng)水泵的葉輪發(fā)生汽蝕后，可明顯降低揚(yáng)程和出水量，同時(shí)還會(huì)令葉輪出現(xiàn)過(guò)大震動(dòng)，減少葉輪的工作壽命[1]。第二，設(shè)計(jì)制造。流體機(jī)械通常在設(shè)計(jì)制造階段都會(huì)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制造、性能檢測(cè)等多個(gè)環(huán)節(jié)，如果任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問(wèn)題都有可能導(dǎo)致無(wú)法順利完成生產(chǎn)制造工作，而且會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)械性能。因此，相關(guān)人員一直在提升設(shè)計(jì)制造的技術(shù)水平，比如使用CFD技術(shù)等，從而將各種能夠影響機(jī)械性能的因素消滅設(shè)計(jì)階段。第三，葉輪的匹配。葉輪和擴(kuò)壓器的匹配一直以來(lái)都是設(shè)計(jì)制造中的難題，需要從擴(kuò)壓器喉部面積、二者之間的間隙等多個(gè)角度入手加以調(diào)整，另外滑動(dòng)式軸承以其性能穩(wěn)定、匹配度高等備受關(guān)注，目前是流體機(jī)械的研究重點(diǎn)。

二、流體機(jī)械葉輪內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)

通過(guò)內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試判斷流體機(jī)械的整體性能，然后根據(jù)整體性能判斷相關(guān)原因，接下來(lái)再根據(jù)具體原因加以改進(jìn)即可推動(dòng)流體機(jī)械的進(jìn)一步發(fā)展。

（一）流像化技術(shù)

通?？蓪⑷~輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)看成是定常和軸對(duì)稱(chēng)的，以此為出發(fā)點(diǎn)，國(guó)外相關(guān)人員使用流像化技術(shù)測(cè)試了低轉(zhuǎn)速?gòu)较蛉~輪離心泵內(nèi)的流場(chǎng)狀況，經(jīng)過(guò)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)工況下的流動(dòng)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(dòng)存在明顯不均勻現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)是負(fù)壓面上的死水區(qū)降低了葉片出口角度，同時(shí)在檢測(cè)二維無(wú)粘流動(dòng)的符合性也發(fā)現(xiàn)了在設(shè)計(jì)工況下，吸力面會(huì)產(chǎn)生回流，而且分離區(qū)會(huì)隨著流量的減少而增加，因此軸對(duì)稱(chēng)流動(dòng)假設(shè)被推翻[2]。另外，其他研究人員的監(jiān)測(cè)也證明了這一點(diǎn)，由此斷定死水區(qū)是必然存在的，但可以通過(guò)更新技術(shù)手段加以解決，從而減輕總壓損失。

（二）熱線風(fēng)速儀技術(shù)

上世紀(jì)六十年代，國(guó)外科研人員深使用熱線風(fēng)速儀檢測(cè)流體機(jī)械葉輪內(nèi)部流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)在徑向葉輪出口處的流動(dòng)情況非常不均勻，不均勻性同樣體現(xiàn)在了周?chē)鷼饬魉俣戎?，而且不能在其中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，通常都會(huì)突然出現(xiàn)跳躍，由此提出了關(guān)于流體機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)的射流-尾流理論[3]。這一理論的提出引發(fā)了該領(lǐng)域的科研熱潮，隨后經(jīng)過(guò)不斷研究發(fā)現(xiàn)，葉輪的吸力面是低能流的主要集中場(chǎng)所。

（三）激光測(cè)量技術(shù)

這項(xiàng)技術(shù)在上世紀(jì)70年代開(kāi)始被廣泛應(yīng)用到流體機(jī)械葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的測(cè)試中，科研人員發(fā)現(xiàn)漩渦層存在滾動(dòng)的低能流體，隨后利用激光測(cè)量技術(shù)測(cè)試了主流速度和激光波，隨后又有相關(guān)科研人員利用激光測(cè)量技術(shù)對(duì)徑向出流壓縮葉輪做了首次測(cè)試，對(duì)射流-尾流的形成過(guò)程做了詳細(xì)的描述，同時(shí)對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)利用數(shù)值法做了模擬，初次提出了射流-尾流的模型，獲得了相關(guān)領(lǐng)域的一致認(rèn)可，同時(shí)也推動(dòng)力了激光技術(shù)在流體機(jī)械葉輪內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試中的普及，流體機(jī)械的后續(xù)發(fā)展提供了準(zhǔn)確參考[4]。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，在流場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用也越發(fā)深入，能夠測(cè)試的流動(dòng)情況更加全面，明確了速度分布以及流動(dòng)特征在葉輪內(nèi)部和出口處的實(shí)際特征。測(cè)試后彎葉輪后發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部流動(dòng)并沒(méi)有發(fā)生明顯的分離，而且尾跡也不是特別明顯，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，增大葉輪出口處的角度，頂線的速度也會(huì)隨之提升，進(jìn)而便會(huì)更容易產(chǎn)生的射流-尾流，反之則不容易出現(xiàn)的射流-尾流，同時(shí)詳細(xì)界定了射流-尾流的出現(xiàn)條件。這一研究結(jié)果證明，如果調(diào)整葉輪的幾何結(jié)構(gòu)，那么完全可以改變其內(nèi)部流場(chǎng)，因此從這一點(diǎn)入手提升流體機(jī)械的整體性能是完全可行的。

（四）粒子圖像測(cè)速儀技術(shù)

激光測(cè)量技術(shù)為單點(diǎn)測(cè)量，其主要針對(duì)的是平均情況下的流場(chǎng)情況，在非定常流動(dòng)的測(cè)量方面的表現(xiàn)不是特比理想，隨后相關(guān)科研人員根據(jù)激光測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光電子技術(shù)研發(fā)了數(shù)字粒子圖像測(cè)速儀，這種技術(shù)可以將截面內(nèi)的所有流動(dòng)信息全部記錄，然后對(duì)截面上流場(chǎng)情況開(kāi)展更全面、更徹底地分析，為提升流體機(jī)械內(nèi)部性能打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[5]。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，大量關(guān)于流體機(jī)械葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的研究，為機(jī)械性能的提升提供了有力保障，但目前影響機(jī)械性能的因素還無(wú)法徹底排除，因此相關(guān)研究還在繼續(xù)，將推動(dòng)流體機(jī)械綜合性能的進(jìn)一步提升。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]Qingdong?Yan，Linus?Kirt，Wei?Wei，等.基于單流道瞬態(tài)仿真的旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械偽集總?cè)~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(tài)仿真的旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械偽集總?cè)~片法研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，v.40;No.301（03）：17-23.

[4]李星.基于數(shù)值模擬的流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬方法研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2019（12）.

[5]蘇博.基于XFLOW離心泵內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬[D].昆明理工大學(xué)，2019.

作者簡(jiǎn)介：甄昊（2000.12-），男，漢，吉林榆樹(shù)，本科，單位：浙江理工大學(xué)，研究方向：流體機(jī)械。