螺旋离心泵内流场二维PIV测量方案

liyibin

选取一典型螺旋离心泵水力模型进行PIV测试，为了减少试验成本和难度，根据泵相似理论，在不影响泵内流动结构的情况下，对实型泵进行相似换算，对结构进行简化和修改。

1  螺旋离心泵PIV测量方案

1.1  PIV测量实验台

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                 图1 螺旋离心泵PIV测量试验台

1.2  PIV测量方案

根据螺旋离心泵叶轮、蜗壳结构及PIV对螺旋离心泵内流场的测量要求，按照激光器发射片光的入射方式，分为轴向入射模式和径向入射模式，两种方案都要对进口管和叶轮侧面位置开设测量窗口或采用有机玻璃进口管和泵体材料，其曲率应与泵体曲率一致，玻璃窗口和泵体采用螺钉联结方式。

1.2.1  轴向入射测量方案（简称方案1）

轴向入射测量方案可在进口管处开设窗口，以便片光（激光器）入射到测量区域，或者CCD相机拍摄粒子图像信号。轴向入射方式PIV片光源从进口管窗口沿轴向入射，可照亮叶片表面如图2所示，CCD相机置于泵体径向窗口位置，垂直于片光源位置进行拍摄，通过径向移动片光源位置，可以照亮叶片表面不同半径方向的截面，可获得轴向和切向二维速度场，如图3所示为轴向入射模式。

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                   图2 方案1轴向入射测量叶片区域            

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                      图3方案1 轴向入射模式

                 图4 方案2径向入射测量叶片区域

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                         图5 方案2 径向入射模式  

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                 图 6 径向入射模式测量蜗壳区域

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1.2.2  径向入射测量方案（简称方案2）

如图4和图5所示，径向入射测量方案可在径向侧面处开设窗口，以便片光（激光器）入射到测量区域，使得CCD相机能够拍摄粒子图像信号。径向入射模式指PIV片光源从径向侧面窗口沿径向入射，可照亮叶片表面区域如图4所示，泵进口管为透明有机玻璃，将CCD相机置于进口管轴向位置，垂直于片光源位置进行拍摄，通过轴向移动片光源位置，可以照亮叶片表面不同轴向的轴截面，可获得不同轴截面的径向及切向二维速度场。如图6所示为方案2径向可测量蜗壳区域。              

1.3  两种测量方案的选择

    两种方案优缺点对比。

2  螺旋离心泵PIV测量需解决的问题

2.1  进口和侧面开设窗户位置的确定

进口管开设窗口应保证不影响螺旋离心泵进口流场，窗口尽量远离泵进口且保证相机能够进行拍摄。按照CCD相机球面镜的曲率计算窗口位置和测量最远区域的范围。

为了能够从进口位置或泵体侧面测量螺旋离心泵叶片速度场，对进口管路和泵体进行修改，可对修改前后的整机内部流场进行数值模拟，依次判断进口管路和泵体结构的局部修改对叶轮及蜗壳流场的影响程度。

2.2  扭曲空间叶片对折射和遮挡的影响

    考虑到螺旋离心泵叶片属于大扭曲度空间叶片，叶片包角很大，测量时容易形成叶片不同位置的遮叠，所以叶片需用透明度较好的有机玻璃制成。为了消除片光入射扭曲叶片后产生的能量衰减和亮度不均匀现象，采用折射率匹配液平衡片光入射扭曲叶片后产生的折射率不同的影响，使得液体介质和有机玻璃材质的折射率相同。

2.3  流场测量位置控制及同步性问题

    为了保证螺旋离心泵PIV测量的精度要求，必须使CCD相机连续拍摄两帧图像的区域为同一个区域，才能获得准确可靠的流场速度分布规律。所以在实验中需用轴编码器和分频器实现测量位置的同步性。

2.4  流场相对速度转换程序的问题

    PIV测量数据经过计算后得到流场内粒子的绝对速度、径向速度、轴向速度和切向速度。为了能够得到相对速度，需要进行速度合成，目前已经开始编写相对速度转换程序。

2.5  PIV二维标定   

2.5  测量误差分析   

2.6  折射率匹配液的选择   

2.7  螺旋离心泵模型制作

2.8  PIV试验台方案确定

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旋转流场的PIV不容易做

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