基于可視化技術(shù)的葉輪外徑對泵自吸特性的影響

摘要： 為清晰直觀地研究自吸泵在不同葉輪外徑下的自吸特性，基于可視化技術(shù)，搭建可視化試驗臺，使用高速攝像機記錄并比較5種不同葉輪外徑的自吸泵在試驗過程中的自吸時間和自吸泵內(nèi)部各區(qū)域的氣液流動狀態(tài)瞬態(tài)變化，并對自吸式離心泵的自吸特性進行研究.研究結(jié)果表明：可視化試驗能夠準確捕捉泵內(nèi)氣液兩相流動，其流動狀態(tài)是瞬態(tài)且清晰的，可以清楚揭示不同葉輪外徑D2對自吸泵在自吸過程中各個階段氣液兩相流態(tài)的影響變化過程；葉輪外徑改變影響其出口與隔舌的間隙，從而使泵內(nèi)氣液混合狀態(tài)以及混合流體中氣泡的特征發(fā)生變化，在一定范圍（D2/160為0.963～1.000）內(nèi)，葉輪外徑與自吸泵的自吸性能成正比，隨著葉輪外徑增大，泵內(nèi)氣液混合效率提高，自吸時間減短，自吸性能越好，反之，外徑減小則泵的自吸性能越差；當葉輪外徑減小到一定程度（D2/160小于0.963）時，氣液混合過程停滯，自吸泵無法進行自吸.

關(guān)鍵詞： 自吸泵；可視化技術(shù)；葉輪外徑；自吸特性；試驗

中圖分類號： S277.9；TH311 文獻標志碼： A 文章編號： 1674-8530（2024）05-0456-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0204開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

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Effect of impeller outer diameter on pump self-priming characteristics

based on visualization technology

ZHANG Huiyan， MOU Jiegang*， YANG Xuelong， ZOU Daohang， WU Ziyang， WANG Shiyin

（School of Metrology and Testing Engineering， China Jiliang University， Hangzhou， Zhejiang 310018，China）

Abstract： To clearly and intuitively study the self-priming characteristics of a self-priming pump under different impeller diameters， a visualization test bench was built based on the visualization technology. The self-priming time of five self-priming pumps with different impeller outer diameters and the transient changes of gas-liquid flow state in each region of the self-priming pump were recorded and compared by using high-speed camera， and the self-priming characteristics of the self-priming centri-fugal pump were experimentally studied. The results show that the visualization experiments can accurately capture the gas-liquid two-phase flow in the pump， and the flow state is transient and clear. It can clearly reveal the influence of different impeller outer diameters on the gas-liquid two-phase flow state at each stage of the self-priming pump during the self-priming process. The change in the outer diameter of the impeller affects the gap between its outlet and the baffle， thereby causing changes in the gas-liquid mixing state inside the pump and the characteristics of bubbles in the mixed fluid. Within a certain range （D2/160 is 0.963-1.000）， the outer diameter of the impeller is directly proportional to the self-priming performance of the self-priming pump. As the outer diameter of the impeller increases， the gas-liquid mixing efficiency inside the pump increases， the self-priming time decreases， and the self-priming performance improves. On the contrary， the smaller the outer diameter， the worse the self-priming performance of the pump. When the outer diameter of the impeller decreases to a certain extent （D2/160 is less than 0.963）， the gas-liquid mixing process stops and the self-priming pump cannot perform self-priming.

Key words： self-priming pump;visualization technology;impeller outer diameter;self-priming characteristics;test

自吸式離心泵（簡稱自吸泵）是一種具有特殊排氣結(jié)構(gòu)的離心泵，通過葉輪的旋轉(zhuǎn)將泵內(nèi)氣體排出，從而實現(xiàn)將液體吸入泵內(nèi)［1-3］.自吸泵具有適應性強、使用簡單方便、運行安全等特點，被廣泛應用于污水處理、市政排澇、農(nóng)田灌溉等領(lǐng)域［4-6］.自吸特性是判斷自吸泵性能的重要指標［7-11］，葉輪作為自吸泵關(guān)鍵過流部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對泵自吸性能具有重要作用.但自吸泵的自吸過程是極其復雜的氣液兩相瞬態(tài)混合流動過程，葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對自吸特性的影響機理難以揭示，制約了自吸泵性能的提高.

在自吸泵的研究中，數(shù)值模擬是主要的方法.劉洪生等［12］利用非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法對自吸泵的自吸過程進行研究，分析了自吸過程中泵內(nèi)氣液兩相分布以及葉輪與導葉中流動演變情況.張塬東等［13］對傳統(tǒng)立式雙級自吸泵結(jié)構(gòu)進行改進，研究了不同密封口環(huán)形狀和尺寸對泵效率的影響，并根據(jù)泵內(nèi)部流動的數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比分析.

近年來，快速發(fā)展的高速攝影技術(shù)為自吸泵氣液兩相流動的研究提供了新的方法［14-16］.VERDE等［17］和ZHANG等［18］分別應用可視化技術(shù)試驗研究了葉輪內(nèi)部的動態(tài)多相流動過程.陸天橋等［19］使用高速攝影機拍攝自吸泵的自吸過程，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)試驗拍攝的圖像與數(shù)值模擬的圖像相似性較高，且自吸過程中所測數(shù)據(jù)變化與氣液兩相流態(tài)的變化具有一致性.QIAN等［20］采用高速攝影技術(shù)研究并總結(jié)了自吸泵內(nèi)的氣液兩相流動規(guī)律.

以上研究主要集中在自吸泵氣液分離室和蝸殼擴散段，而對葉輪關(guān)注較少，葉輪對自吸泵性能的影響機理尚未揭示.因此，文中搭建可視化試驗臺，利用高速攝像機全面捕捉自吸過程中泵內(nèi)氣液兩相流動瞬時畫面，研究不同葉輪外徑時自吸泵氣液流動規(guī)律，揭示葉輪尺寸對泵自吸性能的影響機理，從而為自吸泵的葉輪設計提供一定依據(jù).

1 試驗裝置與試驗方案

圖1為可視化試驗臺，主要包括自吸泵、管道、電動機和高速攝像機等.自吸泵模型以ZW50-20-20內(nèi)混式自吸泵為原型［20］，其設計性能參數(shù)分別為流量Qd=6.5 m3/h，揚程Hd=7.0 m，轉(zhuǎn)速n=1 680 r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=43.5；設計幾何參數(shù)分別為葉輪外徑D2=160.0 mm，葉片數(shù)Z=3，進水管內(nèi)徑Din=32.0 mm，出水管內(nèi)徑Dout=25.0 mm.

自吸泵整體結(jié)構(gòu)（見圖2）由透明材料加工制造，其中進出水管、葉輪和蝸殼體等剛性部件采用無色透明有機玻璃材質(zhì)，同時使用“S形”彎管代替葉輪進口處儲液腔，以增加泵體的透光效果.

試驗使用千眼狼 X113 高速攝像機，其分辨率為1 296×960，拍攝幀率可達8 000幀/s.試驗時高速攝像機以1 000幀/s拍攝圖片以捕捉自吸泵工作時內(nèi)部混流狀態(tài).使用普通數(shù)碼相機佳能G5X拍攝自吸泵工作時出水管液位的變化，為了方便測量，在出水管外側(cè)表面貼有軟尺，在拍攝時可直觀觀察高度變化.為保持整個試驗臺為開放式，出水管連通外部空氣，進水管在開始試驗前保持與外部空氣連通.采用容量為150 L的水箱作為試驗供水源容器，水箱不完全加滿，進水管中空氣柱的高度保持為1.00 m，進水管、出水管都連接水箱，以保證試驗用水循環(huán)使用.考慮自吸泵出水速度受出水管高度的影響，設定出水高度為0.90 m，以保證自吸泵可以穩(wěn)定自吸，如圖3所示.

采用YE2-90L-2三相異步電動機，該電動機功率與泵匹配且具有較好的變頻調(diào)速能力.由于自吸泵的自吸過程包含電動機的啟動過程，電動機的啟動是否平滑穩(wěn)定將會影響試驗的穩(wěn)定性，故采用變頻調(diào)速方法控制電動機啟動.

試驗主要對5個不同葉輪外徑的自吸泵進行測試對比分析，使用的葉輪外徑具體數(shù)值如表1所示.為減小隨機誤差，在試驗過程中，試驗至少重復3次，同時每次試驗時間控制在5.0 min內(nèi)，使水箱內(nèi)水溫度變化保持在可控范圍.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 可視化試驗的可行性

自吸泵在首次工作時需要灌入一定量的清水，灌水啟動后，泵內(nèi)的水經(jīng)葉輪旋轉(zhuǎn)做功從葉輪進口流到葉輪出口，在葉輪進口處形成低壓區(qū)，此時進水管內(nèi)的氣體流入蝸殼內(nèi)，氣體與液體混合形成氣液兩相流體.進入氣液分離腔的氣液兩相流體少部分氣泡凝聚成大氣泡上浮排出或者直接排出，其余大部分氣泡則經(jīng)兩側(cè)回流通道流入回流孔腔，等待重新進入蝸殼.隨著氣液分離腔內(nèi)氣體逐漸排出，自吸泵的葉輪進口持續(xù)吸入氣體，同時進水管內(nèi)的氣體及泵體內(nèi)氣體逐漸減少，進水管液位開始上升，進水管中的液體開始持續(xù)流入泵內(nèi).當液體充滿泵體時則自吸完成.

正因為自吸泵工作過程是復雜的氣液兩相流混合流動，肉眼難以準確捕捉氣液兩相變化，因此采用可視化試驗臺進行試驗，通過對試驗測得的數(shù)據(jù)進行分析，可直觀揭示不同葉輪外徑對自吸泵自吸特性的影響.試驗中，高速攝像機能夠快速捕捉到泵內(nèi)氣液兩相流的流動分布，所拍攝圖像能夠直接觀測泵內(nèi)流動狀態(tài).同時，使用數(shù)碼相機拍攝進水管內(nèi)部液位高度的變化，記錄自吸泵在整個自吸過程中的液位高度變化.

2.2 葉輪外徑與進水管液位的關(guān)系

根據(jù)離心泵設計的相似理論，在葉輪的其他幾何參數(shù)同比例縮小或者增大時，泵的揚程與葉輪外徑的平方成正比，所以葉輪外徑的變化會改變泵的外特性，同時影響自吸泵的自吸性能.

為了更加全面掌握不同葉輪尺寸泵的性能參數(shù)，試驗測試了不同葉輪外徑時自吸泵在不同流量工況下的揚程變化，結(jié)果如圖4所示.

由圖4可以看出，隨著葉輪外徑減小，自吸泵的揚程不斷降低，但是其揚程-流量曲線變化規(guī)律保持一致，均是揚程隨著流量的上升而不斷下降，下降的速度在各個葉輪尺寸下基本保持一致，并且不同尺寸的揚程曲線變化量較小.

圖5為不同葉輪外徑時泵的進水管液位h隨時間變化情況，可以看出：當葉輪B外徑為157 mm時，氣液混合時間為44 s，與葉輪A時自吸泵的氣液混合時間相差8 s左右；當葉輪C外徑為154 mm時，氣液混合時間為76 s，與葉輪A時自吸泵的氣液混合時間相差40 s左右；當葉輪D外徑為151 mm時，開始30 s后進水管液位維持在700 mm左右就不再變化，自吸現(xiàn)象停止，自吸泵無法進行自吸；當葉輪E外徑為148 mm時，自吸情況和葉輪D基本一致.

由此可見，在自吸泵啟動后，葉輪外徑對進水管液位變化進入平穩(wěn)期后的液位高度具有一定影響，此時葉輪A時自吸泵液位最高，葉輪E時自吸泵液位最低.葉輪E時自吸泵進水管液位高度在之后一直維持在700 mm左右，氣液混合基本處于停滯狀態(tài).

2.3 葉輪外徑與氣液流動的關(guān)系

自吸泵啟動后，不同外徑的葉輪對蝸殼內(nèi)液體的排開能力不同，自吸泵工作時蝸殼內(nèi)原有液體一部分繼續(xù)留在蝸殼內(nèi)隨葉輪旋轉(zhuǎn)，一部分通過蝸殼擴散管進入氣液分離腔，其余部分將通過回流孔進入回流孔腔，使回流孔腔壓力變大，最終導致回流通道的液位升高.

由前分析已知，進水管液位在泵自吸初期就產(chǎn)生了差異，對比不同葉輪外徑自吸泵回流通道液位上升狀態(tài)，表明葉輪的旋轉(zhuǎn)將影響回流通道液位變化.圖6為不同葉輪外徑時自吸泵回流通道液位的最高回流上升狀態(tài)，可以看出，葉輪A、葉輪B和葉輪C時自吸泵在自吸初期，回流通道液位出現(xiàn)升高狀態(tài)，而葉輪D和葉輪E時泵的回流通道則沒有明顯變化，且隨著葉輪外徑增大，氣泡數(shù)量隨之增多.

分析可知，葉輪A、葉輪B和葉輪C相對外徑較大，與蝸殼內(nèi)表面的間隙較小，對葉輪出口處的液體推力和擠壓更大.回流孔的位置靠近葉輪的出口處，當葉輪出口處液體的壓力過大時，液體將通過回流孔反向流入回流孔腔，回流孔腔通過回流通道與氣液分離腔連通，液體從回流孔處的回流將導致回流通道內(nèi)液位升高，其進水管液位也會相應升高，同時氣泡容易隨著回流向回流孔運動，然后通過回流孔將大量的氣體帶回自吸泵中，使得排氣效率嚴重下降，進而延長自吸時間.由此可以認為，葉輪外徑越大，回流通道內(nèi)液位回流的高度越大，進水管液位高度也越大，氣液混合效率越大.

2.4 葉輪外徑與自吸時間的關(guān)系

由試驗可知，葉輪A、葉輪B和葉輪C時自吸泵的自吸所需時間分別為36，44，76 s，與葉輪外徑基本成反比，即葉輪外徑越大，自吸所需時間越短，自吸性能越好.同時，三者自吸試驗的進水管液位變化差異都較小，但葉輪D和葉輪E的自吸試驗基本失敗.

針對葉輪D和葉輪E的自吸停滯，對比葉輪C和葉輪D在不同時間自吸泵的內(nèi)部流動狀態(tài)變化，分析不同葉輪外徑對自吸的影響， 如圖7所示.

由圖7可以看出：當自吸泵啟動2 s時，自吸泵的回流通道內(nèi)充滿流體，流體開始從回流通道流向回流孔腔；葉輪C時自吸泵回流通道內(nèi)氣泡較為稀疏，容易形成大氣泡，而葉輪D時自吸泵回流通道內(nèi)氣泡密度較大，氣泡數(shù)量更多，但并未形成較大的氣泡.

分析表明，葉輪C時泵內(nèi)流體循環(huán)流速較小，氣泡受到的剪切力較小，氣泡不易破碎.在豎直流速保持較小的情況下，氣泡向下移動一段距離所需要的時間就越長，所以氣泡豎直流速較小時，聚集融合的機會更大.相反，氣泡豎直流速越大，氣泡受到的剪切力越大，大氣泡受到剪切力時，更容易變形和破碎.同時，在相同時間內(nèi)，氣泡在流速的法線方向上位移更大，氣泡之間的接觸機會更大，更容易出現(xiàn)聚集和融合，形成大氣泡.由此表明，當葉輪外徑較大時，泵內(nèi)循環(huán)流體流速較小，氣泡密度較小，氣液兩相流體中回流氣體的體積較小，對泵內(nèi)的氣液分離更有利.此時自吸泵葉輪處于加速旋轉(zhuǎn)階段，排氣效率越高，進水管液位上升越快，自吸性能越強.

圖8為不同葉輪外徑時自吸泵啟動2 s后回流孔腔內(nèi)流體流動狀態(tài)，可以看出，葉輪C和D的回流孔腔左上壁均產(chǎn)生了較大的空隙，葉輪C的空隙體積接近葉輪D的5倍.

對比分析可知，當回流通道內(nèi)流體流經(jīng)回流孔腔左上壁面時，靠近回流孔腔左上壁面的流體由于速度較快，與回流孔腔內(nèi)原有流體之間產(chǎn)生摩擦，受到了較大的摩擦力，這種摩擦力阻礙了流體的流動.流體內(nèi)同時存在氣體和液體，但氣體的慣性較小，一部分氣泡受到摩擦阻力后不能夠繼續(xù)向下運動，在回流孔腔左上壁面進行聚集和融合，逐漸形成空隙.在遠離回流孔腔左上壁面的流體由于距離壁面較遠，不會受到垂直方向上的摩擦力，氣泡隨液體繼續(xù)向下流動，最終流入回流孔腔中，此時一部分氣泡流向回流孔腔內(nèi)回流孔，一部分氣泡流速較慢，開始在回流孔腔左上形成小尺度旋渦，氣泡緩慢向回流孔腔左上壁面聚集并慢慢與空隙融合，導致空隙越來越大.

當自吸泵啟動5 s后，此時葉輪轉(zhuǎn)速已達最高，同時泵內(nèi)流體流速也達到最高，如圖9所示.可以看出：隨著氣液兩相流速度和含氣率變化，泵內(nèi)流體在回流孔處產(chǎn)生了條狀旋渦流；相比葉輪D，條狀旋渦流在葉輪C的產(chǎn)生位置靠上，且長度更長，這是因為在葉輪C回流孔腔內(nèi)氣液兩相流的回流速度較快，導致其旋渦流的長度變長，條狀旋渦流的長度越長，越有利于回流孔室上方氣泡能夠更快地進入回流孔，促進氣泡在泵內(nèi)的循環(huán)，提高氣液分離效率；葉輪D時在回流孔周圍的氣泡數(shù)量極少，氣泡的回流速度較慢，阻礙了自吸泵的氣液分離過程，導致葉輪D的自吸停滯失敗.

圖10為自吸泵啟動10 s后，回流孔腔內(nèi)流體的流動狀態(tài)，可以看出：葉輪C時回流孔腔內(nèi)氣泡數(shù)量明顯增多，這是因為10 s后進入泵內(nèi)的氣泡體積更大，回流孔腔內(nèi)的含氣率更大，氣體回流效率也更高，自吸性能更好；葉輪D時回流孔腔內(nèi)氣泡數(shù)量明顯減少，這是因為自吸泵進水管內(nèi)部分氣體進入泵內(nèi)后，大部分氣體已被排出，此時泵內(nèi)含氣率大大減小，葉輪進口處的負壓較小，自吸泵吸程不夠，進水管液位處于一個相對靜止的狀態(tài)，氣液混合過程停滯，氣液分離過程隨之漸漸停止，使葉輪D的自吸失敗.

3 結(jié) 論

設計5種不同外徑的葉輪，搭建試驗臺，使用高速攝像機進行自吸泵的可視化試驗，記錄自吸泵的自吸時間和自吸過程中的氣液兩相流混合流態(tài)的變化，并對比不同葉輪外徑時泵內(nèi)各區(qū)域氣液混合狀態(tài)變化，分析其自吸性能產(chǎn)生差異的原因，得出結(jié)論如下：

1） 利用高速攝影技術(shù)進行自吸泵的可視化試驗是可行的.可視化試驗中使用高速攝像機拍攝自吸泵的運行過程，可以清晰地觀察自吸泵運行過程中氣液二相流的瞬態(tài)流動和變化趨勢.

2） 在一定范圍（D2/160為0.963～1.000）內(nèi)，葉輪外徑與自吸性能成正相關(guān)，即葉輪外徑越大，自吸泵的自吸性能越好.葉輪外徑的大小決定葉輪出口與隔舌的間隙，從而影響泵內(nèi)氣液混合狀態(tài)以及混合流體中氣泡的特征.葉輪外徑越大，回流通道內(nèi)液位回流的高度越大，進水管的液位高也越大，氣液混合效率越大，自吸所需時間越短.

3） 葉輪外徑小到一定程度（D2/160小于0.963）時，自吸泵無法完成自吸過程.葉輪外徑減小，回流孔周圍的氣泡數(shù)量減少，氣泡的回流速度變小，阻礙自吸泵的氣液分離過程，此時泵內(nèi)含氣率受到影響相應減小，葉輪進口處的負壓較小，自吸泵的吸程不夠，進水管液位處于一個相對靜止的狀態(tài)，氣液混合過程停滯，氣液分離過程隨之也漸漸停止，造成自吸失敗.

4） 在試驗的5種葉輪外徑測試中，葉輪A、葉輪B和葉輪C時泵的自吸試驗結(jié)果差異較小.受試驗條件限制，并未研究更多葉輪外徑尺寸的自吸泵性能，需進一步探索.

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（責任編輯 陳建華）

收稿日期： 2022-08-29； 修回日期： 2022-12-08； 網(wǎng)絡出版時間： 2024-04-25

網(wǎng)絡出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240423.1115.024

基金項目： 國家自然科學基金資助項目（51779226， 51909235）; 浙江省自然科學基金資助項目（LGG21E090002）

第一作者簡介： 章慧妍（1997—）， 女，安徽安慶人，碩士研究生（zhanghuiyan@cjlu.edu.cn），主要從事流體機械裝備設計研究.

通信作者簡介： 牟介剛（1963—）， 男，吉林通化人，教授，博士生導師（mjg@cjlu.edu.cn），主要從事流體機械裝備設計及測試技術(shù)研究.