粒子圖像測速實(shí)驗(yàn)在離心泵流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用及實(shí)例展示1)

李洪彬 蔣 爽 倪福生 顧 磊

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇常州 213022)

流體力學(xué)是能源與動(dòng)力工程、船舶與海洋工程等專業(yè)本科生必修的基礎(chǔ)課,離心泵是流體力學(xué)理論知識(shí)較為典型的應(yīng)用,其工作原理是利用葉片帶動(dòng)內(nèi)部流體旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生離心力,使流體獲得壓力能和動(dòng)能[1]。流體在泵內(nèi)的流動(dòng)非常復(fù)雜,既有隨葉輪旋轉(zhuǎn)的圓周運(yùn)動(dòng),又有相對(duì)葉輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。輸送固液兩相介質(zhì)時(shí),除了上述兩種運(yùn)動(dòng),還存在兩相之間的速度差[1]。在課堂上,這些較微觀的流動(dòng)變化是通過相關(guān)公式講授的,理論性強(qiáng),學(xué)生理解起來不直觀,難以激起學(xué)習(xí)的興趣。如果讓學(xué)生能觀察到這些微觀的變化,再配合課堂的講解,肯定能起到事半功倍的效果,更能鞏固學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解。

很多學(xué)者對(duì)流體力學(xué)中的相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[2-4],對(duì)本文的寫作具有非常好的借鑒意義,但關(guān)于離心泵的內(nèi)部流動(dòng)情況還未見相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)文獻(xiàn)。本文嘗試將粒子圖像測速技術(shù)應(yīng)用在離心泵的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,將離心泵內(nèi)部流動(dòng)呈現(xiàn)在學(xué)生面前,期待其成為流體力學(xué)離心泵部分課堂講授很好的補(bǔ)充。

1 粒子圖像測速技術(shù)工作原理

在流場中撒入一定量的、顆粒極小的、跟隨性和散射性良好的示蹤粒子,激光發(fā)生器發(fā)出的片光源射入到特定區(qū)域,用高頻相機(jī)拍攝下間隔極短的曝光時(shí)的示蹤粒子圖像,再通過對(duì)兩幅圖像采用相關(guān)性處理技術(shù)分析,得到流場中各粒子在一個(gè)平面內(nèi)的速度矢量場[5-9]。粒子圖像測速工作原理如圖1所示。

圖1 粒子圖像測速技術(shù)工作原理

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

粒子圖像測速技術(shù)需要用高頻相機(jī)捕捉到離心泵內(nèi)部流動(dòng)的示蹤粒子,所以要將離心泵做成透明的,但在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn),若是按照離心泵實(shí)體結(jié)構(gòu)去制作透明離心泵,用相機(jī)去拍攝內(nèi)部流動(dòng)時(shí),都是有遮擋的,教材中離心泵的結(jié)構(gòu)如圖2 所示[1]。

根據(jù)圖2 左邊剖視圖可以發(fā)現(xiàn),無論將粒子圖像測速放置在哪個(gè)方位都無法完整地拍攝到葉輪內(nèi)部的流場,若將粒子圖像測速相機(jī)放置在離心泵入口拍攝,入口管中的示蹤粒子就與葉輪中的示蹤粒子重合,無法分辨分屬于哪個(gè)流域的示蹤粒子,若將粒子圖像測速相機(jī)放置在離心泵的輸入軸側(cè),后面的泵軸電機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置擋住葉輪區(qū)域,阻擋面積比入口的還要大。后經(jīng)多次方案比較后,最終采用的是對(duì)透明泵進(jìn)行相應(yīng)的改造,將泵入口改至泵軸側(cè),才能將葉輪區(qū)域全部無遮擋地呈現(xiàn)出來,能非常好地觀察整個(gè)流場,改造后的透明泵如圖3 所示。整個(gè)粒子圖像測速透明泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括激光發(fā)生器、高頻相機(jī)、同步控制器、透明泵、輸送管路、電機(jī)調(diào)速裝置、圖像和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)等,如圖4 所示。

圖2 離心泵結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 改造后的透明泵結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 粒子圖像測速透明泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)及工作示意圖

電機(jī)調(diào)速裝置中的電機(jī)軸末端裝有編碼器,該編碼器與粒子圖像測速系統(tǒng)上安裝的同步控制器相連。實(shí)驗(yàn)前,先用手轉(zhuǎn)動(dòng)離心泵輸入軸,找到合適的葉輪角度,將該角度設(shè)定在編碼器中,待離心泵按照實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)后,每當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)到該角度時(shí),編碼器就會(huì)向同步控制器發(fā)出脈沖信號(hào),同步控制器會(huì)在間隔極短的時(shí)間分兩次同時(shí)向激光發(fā)生器和高頻相機(jī)發(fā)出觸發(fā)命令,這樣可獲得葉輪流道內(nèi)間隔極短的兩張圖像。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排

本次實(shí)驗(yàn)主要是利用粒子圖像測速技術(shù)讓學(xué)生了解離心泵輸送清水和固液兩相這兩種工況下的內(nèi)部流動(dòng)情況。

(1)為了讓學(xué)生有感官上的認(rèn)知,本次實(shí)驗(yàn)先安排了流動(dòng)現(xiàn)象觀察實(shí)驗(yàn),從宏觀層面觀察輸送清水或固液兩相時(shí)離心泵內(nèi)部流動(dòng)情況。

(2)待學(xué)生對(duì)內(nèi)部流動(dòng)有了視覺上的了解后,再對(duì)內(nèi)部流場進(jìn)行粒子圖像測速技術(shù)的測量,讓學(xué)生從微觀層面了解內(nèi)部流動(dòng),與課堂知識(shí)結(jié)合起來,安排2 次實(shí)驗(yàn)。

2.2.1 輸送清水,流體在葉輪中的運(yùn)動(dòng)和速度三角形的測量實(shí)驗(yàn)

泵內(nèi)流體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)主要有：圓周運(yùn)動(dòng)u,相對(duì)運(yùn)動(dòng)ω和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)v,其中絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是圓周運(yùn)動(dòng)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的矢量和。本實(shí)驗(yàn)用泵內(nèi)某一流體微團(tuán)的三種運(yùn)動(dòng)示意圖可用圖5 所示。

圖5 葉輪中三種速度示意圖

三種速度構(gòu)成速度三角形,如圖6 所示(為了便于表達(dá),將粒子位置置于原點(diǎn))。本次實(shí)驗(yàn)中粒子圖像測速拍攝的圖像進(jìn)行處理得到的是各示蹤粒子的絕對(duì)速度v的分布,圓周速度u根據(jù)式(1) 可以計(jì)算出來,將測得的絕對(duì)速度v和計(jì)算的圓周速度u分別在X和Y方向正交分解,根據(jù)圖6 可以方便地計(jì)算出相對(duì)速度ω在X和Y向的分量。通過本例學(xué)生可以快速掌握離心泵速度三角形的構(gòu)成。

圖6 速度三角形

圓周速度u的大小可以用式(1) 求出,方向沿示蹤粒子所在坐標(biāo)的圓周切線

式中,n表示葉輪轉(zhuǎn)速,r/min；X1和Y1表示示蹤粒子的坐標(biāo)；X0和Y0表示離心泵中心坐標(biāo)。

2.2.2 輸送固液兩相,兩相間的相對(duì)速度的測量實(shí)驗(yàn)

固液兩相輸送時(shí)的泵內(nèi)流場更加復(fù)雜,顆粒在液相裹挾下運(yùn)動(dòng),受到水下重力、離心力、液體黏性力、Basset 力、附加質(zhì)量力、Megnus 力和Saffman 力的多重作用。顆粒較小時(shí),其與液相跟隨性好,而顆粒較大時(shí),顆粒的慣性力對(duì)固體顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生作用,固液兩相速度差變得顯著,顆粒的運(yùn)動(dòng)也開始偏離液體運(yùn)動(dòng)方向,這些理論在教材及文獻(xiàn)中,往往只是通過抽象的公式或文字進(jìn)行表述,學(xué)生不易理解。本實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生通過親手操作,對(duì)拍攝圖片直觀觀察,并結(jié)合液相、固相速度場的比較,可以清晰地了解兩相速度差,再從中提取兩相速度,更容易理解速度滑移。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示

2.3.1 流動(dòng)現(xiàn)象觀察實(shí)驗(yàn)

(1) 輸送清水流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

離心泵輸送清水時(shí),在清水中加定量的示蹤粒子,調(diào)節(jié)離心泵的不同轉(zhuǎn)速,通過觀察示蹤粒子在泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況,因示蹤粒子顆粒小、跟隨性非常好,示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)就可代表清水的運(yùn)動(dòng),離心泵慢速時(shí),觀察得比較清楚。

(2) 輸送兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

為了模擬泵內(nèi)輸送的固體,既要保持管道內(nèi)流體的清潔度,又要防止離心泵的磨損,所以新購置了0.2～5.0 mm 直徑不等的透明玻璃珠。學(xué)生做相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí),先給定離心泵轉(zhuǎn)速,待清水有流動(dòng)速度后,再將不同直徑、不同質(zhì)量或者兩者組合的透明玻璃珠逐漸加入管路中,模擬離心泵輸送不同顆粒、不同濃度固體的流動(dòng)情況。

離心泵輸送清水、固液兩相實(shí)驗(yàn)的相關(guān)照片差別還是很明顯的,區(qū)別大,學(xué)生才能獲得感官上的觸動(dòng),具體如圖7 所示。

圖7 離心泵輸送清水、固液兩相實(shí)驗(yàn)的相關(guān)照片

2.3.2 復(fù)雜流場測量實(shí)驗(yàn)

(1) 輸送清水流動(dòng)速度場

本文以轉(zhuǎn)速為500 r/min,流量Q0=9.85 m3/h時(shí)(9.85 m3/h,是該離心泵500 r/min 輸送清水時(shí),最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量)的泵內(nèi)絕對(duì)速度v(圖8)和葉輪域相對(duì)速度ω(圖9) 加以展示。

圖8 500 r/min 時(shí),離心泵內(nèi)部絕對(duì)速度場

圖9 500 r/min 時(shí),葉輪旋轉(zhuǎn)域相對(duì)速度場

觀察圖8 可以發(fā)現(xiàn)：由于葉輪的驅(qū)動(dòng)作用,絕對(duì)速度方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致；葉輪旋轉(zhuǎn)域以內(nèi),絕對(duì)速度沿著葉輪方向,逐步增加；葉輪出口處,絕對(duì)速度沿著葉輪切線方向甩出。

觀察圖9 可以發(fā)現(xiàn)：葉輪吸力面的相對(duì)速度略高于壓力面的相對(duì)速度；由于流道的擴(kuò)算作用,葉輪流道的前半段的相對(duì)速度高于后半段的相對(duì)速度。

(2) 輸送兩相流動(dòng)速度場

在一組拍攝的照片處理中,粒子圖像測速技術(shù)能很好地處理出液相和固相。本次實(shí)驗(yàn)以輸送0.2～0.4 mm 玻璃珠的某一個(gè)工況展示固液兩相流動(dòng)相對(duì)速度差的情況,如圖10 所示,在一個(gè)流道沿徑向選取6 個(gè)截面,每個(gè)截面選取3 個(gè)測量點(diǎn),分別是靠近吸力面的點(diǎn)、流道中間點(diǎn)和靠近壓力面的點(diǎn)。能清晰地查看出兩者在各個(gè)測量點(diǎn)的速度差,通過親手實(shí)際操作,學(xué)生對(duì)離心泵輸送固液兩相的理解才會(huì)加深。

觀察圖10 發(fā)現(xiàn)：各測量點(diǎn)間的固液兩相速度變化趨勢基本相同；由于葉輪壁面的主導(dǎo)作用,致使吸力面和壓力面固液兩相的相對(duì)速度基本相同；在中間面,由于顆粒慣性力的原因,固相速度明顯大于液相速度。

圖10 固液兩相的相對(duì)速度圖

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效預(yù)期

(1)在離心泵輸送實(shí)驗(yàn)前,通過離心泵實(shí)體模型的講解,讓學(xué)生了解離心泵的相關(guān)結(jié)構(gòu)、工作原理以及電機(jī)、聯(lián)軸器、輸送管道等配套組件,對(duì)離心泵的具體使用情況有更全面的了解。

(2)在離心泵輸送清水實(shí)驗(yàn)時(shí),讓學(xué)生按興趣分組,分別根據(jù)指導(dǎo)書充分熟悉葉輪調(diào)速、管道流量調(diào)節(jié)、激光發(fā)生器的開關(guān)、相機(jī)拍攝軟件的相關(guān)操作等工作,以免后續(xù)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤操作。這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程可能要長一點(diǎn),多做幾種工況,增加學(xué)生動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)配合協(xié)調(diào)能力。

(3)通過做清水和固液兩相的輸送實(shí)驗(yàn),并加以速度場分析,讓學(xué)生了解離心泵內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)情況,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)和固液兩相存在的速度差等,對(duì)離心泵的認(rèn)識(shí)會(huì)更深,還可以啟發(fā)相關(guān)學(xué)生研究的興趣,后續(xù)如果深造的話,可選擇類似方向。

4 總結(jié)

將科研中所用的粒子圖像測速先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué),不僅能使學(xué)生觀察外在的物理現(xiàn)象,還能使學(xué)生深入了解抽象的內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)。內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)是外在物理現(xiàn)象的內(nèi)因,是學(xué)生更需要理解的知識(shí)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和科研平臺(tái)結(jié)合起來,不斷創(chuàng)新,既輔助課堂教學(xué),更能提前培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和能力,為學(xué)生的進(jìn)一步深造起到很大幫助。