離心泵內(nèi)流場PIV測試中示蹤粒子跟隨性的研究.pdf

1、激光粒子圖像測量技術(shù)是在離心泵領(lǐng)域內(nèi)研究泵內(nèi)流場速度分布等問題的最先進(jìn)的測量技術(shù)之一。由于泵內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象的復(fù)雜性,以及PW在離心泵內(nèi)應(yīng)用的特殊要求,目前離心泵內(nèi)應(yīng)用PIV測量還存在許多關(guān)鍵技術(shù)有待解決。PIV測量的基本原理就是利用示蹤粒子的速度來間接地反映流體的速度,因此示蹤粒子的跟隨性直接決定了試驗(yàn)的測量精度。由于離心泵是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械,粒子在泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)將受到旋轉(zhuǎn)因素的影響,這種旋轉(zhuǎn)因素嚴(yán)重影響粒子的跟隨特性?，F(xiàn)有的理論和試驗(yàn)研究都是討論一

2、般的紊流場中粒子的跟隨性,并沒有考慮到旋轉(zhuǎn)特性,因此有必要建立離心泵內(nèi)示蹤粒子跟隨性的計(jì)算方程,選取合適的示蹤粒子,減小由于粒子的跟隨性而引起的PIV測量誤差。本文就離心泵內(nèi)流場PIV測試中示蹤粒子的跟隨性進(jìn)行了較深入的研究,主要的研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)有:
　　 (1)基于離心泵內(nèi)固液兩相流理論,對(duì)離心泵內(nèi)部湍流場中的示蹤粒子進(jìn)行受力分析,建立了示蹤粒子的受力模型。根據(jù)粒子在離心泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)簡化受力模型,推導(dǎo)了低雷諾數(shù)下粒子在離心泵

3、內(nèi)Lagrange運(yùn)動(dòng)方程。采用譜分析方法,利用Fourier積分首次推導(dǎo)了適用于離心泵內(nèi)示蹤粒子跟隨性的計(jì)算公式,并分別建立了離心泵內(nèi)定常和非定常流場中示蹤粒子跟隨性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
　　 (2)利用推導(dǎo)的低雷諾數(shù)下示蹤粒子在離心泵葉輪內(nèi)的跟隨性計(jì)算公式對(duì)粒子的跟隨程度進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,討論了粒子跟隨性對(duì)粒子的物理特性和離心泵內(nèi)流場的依賴關(guān)系。并在現(xiàn)有幾種模型基礎(chǔ)上對(duì)比討論了各項(xiàng)力對(duì)粒子跟隨性的貢獻(xiàn),指出了各模型的優(yōu)缺點(diǎn)。通過對(duì)各

4、因素的計(jì)算分析發(fā)現(xiàn):密度接近流體的密度的中性懸浮粒子跟隨性較好；對(duì)于密度較大的粒子只有粒子直徑足夠小才能跟隨到一定范圍內(nèi)湍流頻率的流動(dòng)；粒子徑向跟隨性比周向復(fù)雜得多；在離心泵葉片壓力面中部以及壓力面出口區(qū)域粒子跟隨性較差；離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)引起的離心力和科氏力以及流道彎曲產(chǎn)生的離心力對(duì)粒子跟隨性影響很大。
　　 (3)對(duì)離心泵內(nèi)清水流場采用RNG k-ε模型來封閉求解雷諾時(shí)均N-S方程,然后用有限體積以及SIMPLEC算法數(shù)值求解方

5、程組。對(duì)清水流場模擬計(jì)算所預(yù)測的離心泵性能曲線與試驗(yàn)性能曲線對(duì)比,驗(yàn)證清水流場計(jì)算的準(zhǔn)確性。然后在得到的清水流場計(jì)算基礎(chǔ)上,采用Lagrange方法分別計(jì)算不同密度、不同直徑的粒子在離心泵設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)動(dòng)軌跡,給出了示蹤粒子運(yùn)動(dòng)的直觀表示,研究了離心泵內(nèi)示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn):粒子的密度和直徑對(duì)粒子的軌跡有重要影響,其中粒子密度與流體密度相等是一個(gè)重要的界點(diǎn)；在葉片壓力面出口粒子軌跡差別很大；粒子軌跡在進(jìn)口直管

6、內(nèi)幾乎不發(fā)生分離,而在半螺旋型吸水室、葉輪和蝸殼內(nèi)發(fā)生分離；在出現(xiàn)漩渦等不穩(wěn)定流動(dòng)的流道內(nèi),密度與流體的密度接近并且直徑小的粒子其軌跡線與流體的流線接近。
　　 (4)搭建了離心泵專用PIV測試試驗(yàn)臺(tái),在滿足PIV測試要求的模型泵內(nèi)部流場中,利用PIV技術(shù)測量了三種不同物理性質(zhì)的示蹤粒子在離心泵葉輪內(nèi)的絕對(duì)速度；利用VC++程序?qū)y量的絕對(duì)速度進(jìn)行處理,得到離心泵內(nèi)四種工況下三種粒子的時(shí)均相對(duì)速度分布；定性分析了粒子的PIV測試