低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵葉輪內(nèi)流動分離的PIV實驗研究

邱 勇，季燕羽，楊洪鑌，唐曉晨，談明高(. 江蘇振華泵業(yè)制造有限公司，江蘇 姜堰 5500；. 江蘇大學(xué)流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 0； 永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 永州 4500)

由于低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵流道狹長，流道擴散度較大，在小流量工況下容易產(chǎn)生邊界層流動分離，產(chǎn)生分離泡，分離泡附近葉片做功能力大大降低。流動分離產(chǎn)生的分離泡發(fā)展到一定程度還會導(dǎo)致離心泵內(nèi)部發(fā)生失速現(xiàn)象。失速會增加流動損失，堵塞流道，降低泵的揚程和效率。某些低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵在流量降低到一定程度時，分離泡會在流道中旋轉(zhuǎn)，造成旋轉(zhuǎn)失速[1]。其產(chǎn)生的壓力脈動會對流道產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重影響低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵及其管路的安全、穩(wěn)定運行。

許多關(guān)于設(shè)計和數(shù)值模擬的文獻都提及了葉輪流動分離對離心泵流動損失和穩(wěn)定運行的影響[2-6]，國內(nèi)外學(xué)者對離心泵葉輪內(nèi)嚴(yán)重流動分離引起的失速現(xiàn)象進行了較多的實驗研究。對流動分離測試手段主要有：熱線風(fēng)速儀、多孔探針、激光多普勒測速技術(shù)( Laser Doppler Velocimetry，LDV)、粒子圖像測速技術(shù)(Particle Image Velocimetry，PIV)等。LDV、熱線風(fēng)速儀和多孔探針采用單點測量的方式，無法得到空間的速度結(jié)構(gòu)，并且熱線風(fēng)速儀和多孔探針會干擾所測流場，使試驗結(jié)果不能反映真實的失速現(xiàn)象。隨著流體測試技術(shù)的發(fā)展和PIV技術(shù)的成功應(yīng)用，對離心泵葉輪流動分離的研究有了飛速發(fā)展。Pedersen[7]等人發(fā)現(xiàn)了0.2倍最優(yōu)工況下離心泵葉輪內(nèi)部出現(xiàn)交替發(fā)生流動分離的雙通道現(xiàn)象。Katz[8]等人利用旋轉(zhuǎn)失速信號觸發(fā)相機拍攝，觀察了旋轉(zhuǎn)失速時葉輪和導(dǎo)葉附近的流動分離現(xiàn)象。N．Krause[9]等人對導(dǎo)葉式離心泵的研究中發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)從47%設(shè)計流量降低到41%設(shè)計流量時，流道內(nèi)穩(wěn)定的分離泡變成旋轉(zhuǎn)失速團，并對所測流場速度場進行了頻譜分析，獲得了失速團的轉(zhuǎn)動頻率。楊東升等人[10]研究了小流量下雙葉片離心泵內(nèi)的流動，發(fā)現(xiàn)在0.2倍最優(yōu)工況下葉輪內(nèi)有大面積的流動分離，發(fā)生了失速現(xiàn)象。

研究葉輪流動分離對理解離心泵葉輪流動分離的產(chǎn)生與發(fā)展機理，避免發(fā)生失速和旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象，提高低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵及系統(tǒng)的運行可靠性有重要的意義。本文采用PIV技術(shù)對一6葉片低比轉(zhuǎn)數(shù)(ns=73)離心泵葉輪內(nèi)流場的分離泡流態(tài)進行分析，為低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵流動分離研究提供借鑒。

1 試驗裝置

1.1 試驗臺

試驗臺如圖1所示。

1.2 試驗用泵

試驗用低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵如圖2所示，其主要參數(shù)如表1所示。離心泵的葉輪和蝸殼均采用有機玻璃加工，各個表面均進行拋光處理以減小光學(xué)誤差。

圖1 試驗臺與PIV測試系統(tǒng) 注：1-低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵；2-出口壓力變送器；3-出口擴散段；4-電磁流量計；5-出口閘閥；6-水箱；7-進口閘閥；8-進口壓力變送器；9-計算機；10-同步觸發(fā)控制器；11-CCD相機；12-激光器；13-光電信號傳輸器；14-旋轉(zhuǎn)脈沖信號同步器；15-旋轉(zhuǎn)編碼器；16-三相異步電動機。

圖2 PIV測試用低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵

表1 試驗用泵的設(shè)計參數(shù)和幾何參數(shù)

1.3 PIV測試系統(tǒng)

試驗采用TSI公司的PIV系統(tǒng)，主要包括：YAG200-NWL型雙脈沖激光器，最大脈沖能量200 mJ；630059 PowerView 4MP 跨幀CCD相機，最大成像能力2 048像素×2 048像素；610035型同步器；給610035型同步器傳輸同步控制信號的同步觸發(fā)控制器和光電信號傳輸轉(zhuǎn)換裝置；610015型光臂；片光源透鏡組等。圖像采集和分析軟件Insight 3G，查問區(qū)尺寸最小可達4像素×4像素。

2 試驗方案

2.1 試驗參數(shù)

試驗泵最優(yōu)工況流量QBEP=27.7 m3/h。設(shè)計工況附近流動分離不穩(wěn)定，現(xiàn)象不明顯；而在遠離設(shè)計工況時，流動分離發(fā)展完全，周期性特征完整。為了較全面地研究小流量工況下離心泵葉輪內(nèi)流動分離和分離泡，對遠離設(shè)計工況(Q/QBEP=0.18)下葉輪流道內(nèi)流動進行了測量。試驗中激光片光截面與葉輪出口的中間截面重合，測量區(qū)域如圖3所示。

圖3 葉輪的6個不同相位

為了較全面研究離心泵葉輪內(nèi)部的分離泡現(xiàn)象，通過PIV系統(tǒng)中脈沖延遲時間設(shè)置，按流道吸力面與隔舌相對位置不同劃分為6個不同相位，分別為1T、2T、3T、4T、5T、6T。為便于分析，將葉輪內(nèi)流道分別命名為流道1、流道2、流道3、流道4、流道5、流道6，如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集及處理

在Insight3G軟件平臺上設(shè)置相關(guān)參數(shù)，采用粒子圖像序列采集方式進行試驗，每組連續(xù)采集100對圖像。運用PIV互相關(guān)算法對Q/QBEP=0.18工況，不同相位下的100對圖像進行處理，得到100組速度場數(shù)據(jù)。然后將速度數(shù)據(jù)導(dǎo)入Tecplot軟件平臺上對進行平均處理，利用自編程序?qū)ζ骄蟮慕^對速度進行分解，從而得到相對速度，并導(dǎo)入Tecplot軟件進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 相對速度場結(jié)果分析

隨著離心泵流量不斷降低，葉片工作面流動分離現(xiàn)象不斷惡化。與此同時，分離泡也不斷向流道中部發(fā)展和擴散，并逐漸堵塞流道。分離泡區(qū)域速度梯度和速度脈動都很大，有較大的黏性耗散損失和湍動能損失。蝸殼周向壓力不平衡也會影響葉輪流道內(nèi)的流動分離現(xiàn)象，使分離泡呈現(xiàn)出周期性的變化。分離泡隨葉輪旋轉(zhuǎn)周期性地產(chǎn)生、發(fā)展和潰滅。

圖4給出了Q/QBEP=0.18時，不同葉輪相位流場相對速度流線圖。在小流量工況下，蝸殼在隔舌右側(cè)進口處壓力最小，并且沿蝸殼周向一直增大，到隔舌左側(cè)出口處壓力達到最大[11]。受蝸殼的周向壓力不均勻分布的影響，葉輪流道出口在蝸殼不同位置處的逆壓梯度不同，葉輪流道內(nèi)的流動分離和分離泡的發(fā)展?fàn)顩r也不一樣[12]。由圖4可見，在1T相位處，流道2、3、4、5內(nèi)都存在較明顯的分離泡，流道1內(nèi)分離泡較小，而流道6內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)較明顯的分離泡。流道1內(nèi)分離泡較小，以及流道6內(nèi)分離泡消失的原因是流道2內(nèi)較強的分離泡使得進口流動發(fā)生變形，造成了流道1、6進口沖角增大，流道3、4、5進口沖角減小。這樣，流道3、4、5內(nèi)流動分離增強，而流道1、6內(nèi)分離泡潰滅。圖4與文獻[7]中“雙流道現(xiàn)象”類似，而與文獻[9]中觀測到的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象不同。

圖4 不同相位下葉輪相對速度流線云圖

在2T相位，流道1內(nèi)壓力面流動分離開始發(fā)展。這是因為流道2出口的一部分越過了隔舌進入隔舌右側(cè)低壓區(qū)，出口壓力減小，流道2內(nèi)分離泡減弱，對流道1進口沖角影響也減小。同時流道1出口壓力增加，流動分離趨勢增加，兩者同時作用的結(jié)果是流道1內(nèi)流動分離和分離泡發(fā)展。由于流道2內(nèi)分離泡對流道3進口流動的影響，與流道出口壓力變化對沖角的影響相抵消，所以流道3內(nèi)分離泡變化不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定的作用，使得流道3出現(xiàn)了二次流動分離。

在3T相位，流道5內(nèi)分離泡消失，而由于出口壓力增加，而進口沖角受流道2影響減弱。

在4T、5T和6T相位，流道2出口大部分已經(jīng)越過了隔舌，使得流動分離變?nèi)?，分離泡變小并向葉片壓力面收縮。流道2內(nèi)分離泡對相鄰流道進口沖角影響也因此變?nèi)?。而受出口壓力逐漸增大的影響，流道1內(nèi)流動分離不斷發(fā)展，分離泡開始向流道中部擴散。

圖5 不同流道內(nèi)滯止點軌跡

3.2 Q/QBEP=0.18工況下分離泡運動

分離泡的存在改變了流場結(jié)構(gòu)，影響了流道內(nèi)速度和壓力分布。流動分離和分離泡的周期性變化會在流道中附加脈動流場，加劇湍流強度，增加了流動損失。為了研究和分析Q/QBEP=0.18工況下分離泡在流道內(nèi)的運動規(guī)律，圖5給出了不同相位滯止點坐標(biāo)繪制滯止點絕對運動軌跡。分離泡的滯止點是分離泡區(qū)域內(nèi)速度為零的點，分離泡內(nèi)其他位置的流體都繞滯止點運動，并且離滯止點距離越近，速度越小。圖5中相鄰兩點間的相位間隔 Δα相等，Δα=10°，C1～C5分別表示不同的葉輪流道。

由圖5可見，在流道1內(nèi)，分離泡從1T開始形成后，滯止點移動軌跡近似呈線性。在流道2內(nèi)，從1T到4T，滯止點移動軌跡仍然近似呈線性，但移動速度逐漸降低；在4T相位時降到最小，對比觀察圖4可知，此時流道2出口中間正對隔舌；從4T到6T滯止點移動向旋轉(zhuǎn)中心偏轉(zhuǎn)，移動速度逐漸增加。在流道3內(nèi)，滯止點移動軌跡逐漸向圓弧轉(zhuǎn)變，此時流道內(nèi)分離泡比較穩(wěn)定；在1T到3T間，滯止點運動出現(xiàn)“折返”；對比分析圖4可知，1T相位的分離泡不穩(wěn)定，到2T時1T分離泡的前方發(fā)生了流動分離，并形成了新的滯止點和分離泡，其結(jié)果是滯止點在1T到3T間發(fā)生“折返”。在流道4和5內(nèi)，滯止點運動軌跡近似呈圓弧狀，流道內(nèi)分離泡比較穩(wěn)定；在流道5的3T相位之后，分離泡潰滅，滯止點隨之消失。

結(jié)合圖4分析可知，分離泡在葉片壓力面中部產(chǎn)生，隨葉輪旋轉(zhuǎn)發(fā)展，最后在葉片壓力面出口附近潰滅。在分離泡形成初期，滯止點在隔舌前(隔舌左側(cè))；分離泡和滯止點的運動都不穩(wěn)定，滯止點運動軌跡近似呈線性；在分離泡發(fā)展穩(wěn)定之后，滯止點在隔舌后(隔舌右側(cè))，滯止點運動較為穩(wěn)定，滯止點運動軌跡近似呈圓弧狀。在隔舌附近，分離泡的發(fā)展以及滯止點運動受隔舌動靜干涉作用影響明顯。

4 結(jié) 語

(1)在Q/QBEP=0.18工況，由于蝸殼周向的壓力不平衡，流動分離和分離泡隨葉輪旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)出周期性的產(chǎn)生、發(fā)展和潰滅。由于流道進口相互作用的影響，流動分離和分離泡的周期性變化與流道出口壓力的周期性變化不一致。

(2)在分離泡形成初期，分離泡發(fā)展和滯止點的運動都不穩(wěn)定，滯止點運動軌跡近似呈線性；在分離泡發(fā)展穩(wěn)定之后，滯止點運動較為穩(wěn)定，滯止點運動軌跡近似呈圓弧狀。在隔舌附近，分離泡的發(fā)展以及滯止點運動受隔舌動靜干涉作用影響明顯。

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[1] Brennen C E．Hydrodynamics of pumps[M]．New York：Cambridge University Press，2011.

[2] 盧金鈴，席 光，祁大同，等．離心泵三元扭曲葉片設(shè)計的研究[J]．工程熱物理學(xué)報，2002,(S1)．

[3] 楊軍虎．低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵葉輪內(nèi)的流動機理和葉輪設(shè)計[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2002，33(2)：47-49．

[4] 朱玉才，梁 冰，張永利，等．離心泵無分離條件下葉片型線方程研究[J]．機械工程學(xué)報，2003，39(3)：71-75．

[5] 徐 潔，谷傳綱．長短葉片離心泵葉輪內(nèi)部流動的數(shù)值計算[J]．化工學(xué)報，2004，55(4)：541-544．

[6] 楊金龍，賴煥新，于新海，等．低比速離心泵半開式葉輪內(nèi)流場的模擬[J]．工程熱物理學(xué)報，2013,(2): 17．

[7] Pedersen N， Larsen PS， Jacobsen CB．Flow in a centrifugal pump impeller at design and off-design conditions-part 1：Particle Image Velocimetry (PIV) and Laser Doppler Velocimetry (LDV) measurements[J]．Journal of Fluids Engineering， 2003,125:61-72．

[8] Sinha M，Pinarbasi A，Katz J， The flow structure during onset and developed states of rotating stall within a vaned diffuser of a centrifugal pump[J]．Journal of Fluids Engineering，2001，123(3)：490-499．

[9] Krause N，Z?hringer K，Pap E．Time-resolved particle imaging velocimetry for the investigation of rotating stall in a radial pump[J]．Experiments in Fluids，2005，39(2)：192-201．

[10] 劉厚林， 楊東升， 談明高， 等．雙葉片離心泵內(nèi)動靜干涉的三維PIV測量[J]．排灌機械工程學(xué)報， 2012， 30(4)：384-389．

[11] Pérez J G，Parrondo J，Santolaria C，et al．Steady and unsteady radial forces for a centrifugal pump with impeller to tongue gap variation[J]．Journal of Fluids Engineering，2006，128(3)：454-462．

[12] 郭永懷．邊界層理論講義[M]．合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2008．

[13] Westra RW，Broersma L，Van Andel K，Kruyt NP．PIV measurements and CFD computations of secondary flow in a centrifugal pump impeller[J]．Journal of Fluids Engineering，2010,130:0 611 004．

[14] 楊 華，劉 超，湯方平．離心泵有蓋板葉輪內(nèi)部流場的 PIV 測量[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2003，34(2)：27-29．

[15] 湯方平，劉 超，周濟人，等．離心式葉輪內(nèi)紊流流場數(shù)值分析及 PIV 測試[J]．排灌機械，2004，22(3)：5-10．

[16] 楊敏官，劉 棟，賈衛(wèi)東，等．離心泵葉輪內(nèi)部三維湍流流動的分析[J]．江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，27(6)：524-527．

[17] 楊敏官，劉 棟，顧海飛，等．鹽析液固兩相流場的PIV測量方法[J]．江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007,(4)：12．

[18] 王 凱，劉厚林，袁壽其， 等．零流量工況下雙葉片泵內(nèi)部流場三維 PIV 測量[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2011，42(7)：61-65．

[19] 邵 杰，劉樹紅，張桂英，等．大出口角離心泵葉輪內(nèi)部流動的 PIV 測量分析[J]．水泵技術(shù)，2010,(2)：1-7．