基于PIV技术的明渠非恒定流试验系统

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离心泵多设计方案下内流PIV测试及其非定常全流场数值模拟的开题报告

离心泵多设计方案下内流PIV测试及其非定常全流场数值模拟的开题报告一、研究背景及意义离心泵是一种广泛应用于工农业生产、交通运输和生活领域的流体机械设备。

其具有结构简单、易于维护、安装方便、运转平稳和效率高等优点，因此被广泛应用于各个领域。

然而，在离心泵的运行过程中，由于复杂的流动场和转动机件之间的相互作用，可能会产生一些不可避免的问题，如振动、噪声、损耗等，这些问题在很大程度上影响了离心泵的运行效率和使用寿命。

因此，对离心泵的流动特性进行深入研究具有很大意义。

现有的离心泵研究主要集中在稳态流动方面，对于流动的非定常性质很少涉及。

而离心泵受流量和转速等工作条件的影响，其内部流场往往也是非定常的，因此对于离心泵非定常全流场数值模拟研究的开展也具有重要意义。

内流PIV测试技术是一种可以获取全场速度矢量的实验方法，可以提供全方位的流场信息，为离心泵非定常全流场数值模拟提供了可靠的实验数据验证。

二、研究内容及研究方案本课题旨在针对离心泵内部流场进行研究，具体内容包括：1.设计多种不同流道结构的离心泵，并进行流场敏感性研究，选择合适的离心泵进行后续实验研究。

2.使用内流PIV技术对离心泵内部流场进行测量，获取全场速度矢量数据，并与已有的稳态流动实验数据进行对比和分析。

3.建立离心泵的非定常全流场数值模型，采用CFD软件对不同工作条件下的离心泵内部流场进行模拟计算。

4.将实验测试结果与数值模拟结果进行对比分析，验证数值模拟的可靠性，并深入分析离心泵内部流场的特性。

5.探索离心泵的优化设计方向，包括流道结构、转子叶片角度和曲率等参数的优化。

三、研究计划及预期成果本研究计划分为三个阶段，具体计划如下：1. 第一阶段（3个月）：完成多种不同流道结构的离心泵设计，进行流场敏感性研究，并选择合适的离心泵进行后续实验研究。

2. 第二阶段（6个月）：使用内流PIV技术对离心泵内部流场进行测量，并进行数据分析和处理。

3. 第三阶段（9个月）：建立离心泵的非定常全流场数值模型，并进行模拟计算。

PIV在本科流体力学实验教学中的应用

PI V （Par ticl e Imag e Ve l o cit y，激光粒子成像流速测量仪）是目前世界上紊流测量最为先进的仪器之一。

相比于其他的量测仪器，其突破了空间单点流速测量的局限，具有测量频率高、空间分辨率高、获取信息量大及性能稳定的特点，因而被大量应用于水流或者气体的流场分布及紊动结构研究，并且获得了许多重要的成果。

而PI V创始人之一的R o n a l d J.Ad r i a n教授关于P I V 测量紊流的一篇文章[1]更是被SCI引用1300余次，2010年7月《Science》杂志刊登了其近年来用P I V 研究紊流的新进展[2]。

目前，PIV在国外大学流体力学的实验教学中被广泛应用，本科生可以利用该实验仪器开展感兴趣的实验研究。

而在国内，尽管不少大学也购置有该设备，但由于PIV 系统本身较为复杂，对老师及学生的要求均较高，因而更多的是被用于研究生的论文及科研工作，至今还很少有将该设备用于本科生教学的报道。

近年来，不少老师致力于提升流体力学的实验教学水平[3-7]，但紊流实验的方法、内容均未有所突破。

为充分利用先进仪器设备，积极开展实验仪器及教学方法创新，作者在本科生的流体力学实验课程中尝试将P I V 引入教学实验，取得了较好的效果。

1 PIV的测量原理P I V是利用高频相机拍摄激光照亮了的流体内部示踪粒子运动轨迹来反映流速场的先进量测仪器。

激光光源通过球面镜和柱面镜形成片光源照亮流体中需要测量的流动区域，在两个瞬时时间点上用与片光源垂直方向拍摄的CCD相机记录下流动区域中示踪粒子的图像；数字化的图像传送至计算机后，通过对图像矩阵进行自相关或者是互相关运算，得到已知时间间隔内示踪粒子的位移，如果示踪粒子的跟随性足够好，则可由此获得流场内各点的速度信息。

2 实验设计2.1 实验布置传统紊流结构研究多集中在流速、雷诺应力以及紊流度的垂线分布，该文所开展的紊流实验教学也主要针对这三个内容。

明渠恒定非均匀流水面曲线联接试验课件

点，提高试验结果的可靠性。
利用数值模拟进行验证
03
通过数值模拟方法对试验结果进行验证，评估试验结果的准确
性。
06
结论与展望
本次试验成果总结
验证理论
通过本次试验，验证了明渠恒定非均匀流水面曲线联接理论的正确性和实用性。
掌握方法
掌握了明渠恒定非均匀流水面曲线的测定和计算方法，提高了试验技能和数据处理能力。
操作流程与注意事项
试验前准备
检查试验装置是否完好无损，确保电源、水源和排水设施正常运行，对试
验人员进行安全教育培训。
数据处理与分析
对采集到的试验数据进行处理和分析，绘制水面曲线图，计算水力学参数
等。
试验操作
按照试验方案要求，调节明渠模型的坡度、宽度和流量，观察水面曲线变化，记录相关数据。
注意事项
深化认识
深化了对明渠水流运动规律的认识，对水流现象有了更深入的理解。
对未来研究方向展望
1 2
拓展应用领域
将明渠恒定非均匀流水面曲线联接理论应用于更多的工程实践中，如水利工程、环境工程等，拓展其应用领域。
研究复杂水流现象
针对复杂水流现象，如弯道水流、交汇口水流等，开展深入研究，揭示其运动规律和机理。
根据试验数据，分析水面曲线类型和联接段水流特性，探讨不同因素对水流的影响。
03
试验装置与操作
试验装置介绍
明渠模型
采用透明材料制成的明渠模型，具有可调节坡度、宽度和流量的特点。
水位观测设备
包括水位计、测针等，用于实时监测和记录水面高度变化。
数据采集与处理系统
通过传感器、数据采集卡和计算机等设备，实现试验数据的自动采集、存储和分析处理。

明渠非恒定流下输沙对比研究

恒定流及对应的输沙仍处于起步阶段。通过定义了一个新的非恒定系数，将各个研究者的数据进行对比整合，找到了非恒
定流与输沙的普遍规律。
关键词：非恒定流；输沙；非恒定系数；对比分析
中图分类号：：Ｔｖ１３３．２
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｔｒａｎｓｐｏｒｔｕｎｄｅｒｕｎｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｉｎｏｐｅｎｃｈａｎｎｅｌｉＳｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｉｆｖｅｒｓｅｄｉｍｅｎｔ
在自然条件下，河流中的流量及水位均较为稳定，变幅较小，水流的非恒定性较弱；但是，
流，在汛期枢纽一般敞泄又形成洪水波，水流非
ｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｓｔａｇｅ．Ｂｙｄｅｆｉｎｉｎｇａｎｅｗｕｎｓｔｅａｄｙｆａｃｔｏｒ，ｗｅｉｎｔｅｇｒａｔｅａｌｌｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ’ｄａｔａａｎｄｉｎｆｄｔｈｅｕｎｉｖｅｒｓａｌｒｕｌｅｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇｓｅｄｉｍｅｎｔｔｒａｎｓｐｏｒｔｏｆｕｎｓｔｅａｄｙｌｏｆｗ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｓｔｅａｄｙｌｆｏｗ；ｓｅｄｉｍｅｎｔｔｒａｎｓｐｏｔ；ｒｕｎｓｔｅａｄｙｆபைடு நூலகம்ａｃｔｏｒ；ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎｌｙａｓｉｓ

基于piv技术的管道流流动特性研究

Engineering,North China Institute of Science and Technology,Langfang 065201, China)
Abstract: Based on the two phase flow of different media, the research of PIV technology on flow law of pipeline flow field was introduced. The advantages of the PIV technology in gas-solid, gas-liquid and solidliquid two-phase flow were summarized which shows that the application of PIV technology to pipeline flow research can not only improve the accuracy of measurement but also accurately characterize the flow field flow characteristics. The influences of tracer particle, flow field formation factors and vortex phenome non on the research were analyzed. The shortcomings of PIV technology in pipeline-flow research were put forward. Further more, it is pointed out that PIV technology and numerical simulation theory should be combined to establish a real and reflective flow model in order to obtain better research results. Key words:PIV technology； pipe flow field； two-phase flow； flow characteristics

试析非恒定流水面波动问题

试析非恒定流水面波动问题1.明渠非恒定流理论研究非恒定流指流体的运动特征随时间变化的流动，每一时刻流体的运动特性不仅与流场的边界条件有关，又依赖于流场的初始条件及整个流动发展过程。

Telionis等人将非恒定流概括为两种，一种是流动依据外边界条件改变下作的响应；另一种为流动本身的不恒定性。

众多学者对非恒定流水面波动问题的不断探索，并经过一系列的试验，进一步探讨非恒定流的传播特性、水流内部运动特征及运动要素的空间分布问题。

非恒定流研究对水利工程规划及河道整治亦具有指导意义。

1.1明渠非恒定流基本方程1.2明渠非恒定流研究研究方法中数理分析首先是通过客观条件或理论基础出发，首先依据理想液体假设建立力学模型，简化方程及计算过程。

力学模型确定后，依据运动学和动力学基本方程式，设置起始条件和边界条件，通过对质量方程、动量方程和能量方程分析，求解所需要的各种变量。

理论分析、试验研究和数学计算相结合，三个方面是相互补充和验证，但又不能相互取代的关系。

明渠非恒定流试验通过建立非恒定流输沙的水槽实验系统，在非恒定流生成、水位流量控制和监测、流速和输沙率的测量等均取得新的进展。

实验系统保证了稳定可重复的明渠非恒定流过程，为研究水面波动问题的规律、运动要素的空间分布及挟沙机理的试验研究提供了方法。

研究表明，非恒定流的水面波动问题在传播过程中将会随时间存在变形，且在纵向波高上同样存在着变形，还会出现波的破碎现象。

天然河流洪水波的运动受过水断面变化、沿程糙率变化、支流来水等诸多因素的影响，情况会更加复杂。

胡江等还[4]建立了一套高精度的明渠非恒定流水槽试验，对光滑明渠内正弦型连续非恒定流传播过程进行了研究。

试验在不同水流条件下的流量的变化，得出流量过程均为正弦曲线分布，非恒定流在一个周期传播过程中，并推出计算明渠非恒定流变形率的计算公式：此变形率公式较好地反应水面波动问题沿程传播中沿时间轴方向的变化。

并由此可知影响其传播过程中的变形特性的因素，不仅仅与传播距离有关，还受非恒定流自身的参数影响。

明渠非恒定流数值模拟初探

明渠非恒定流数值模拟初探近年来，由于气候变化和自然环境变化，影响到水文气象学家对水文气象过程的研究，如水文地质复合动力过程、水文、水质、水土保持、水资源利用和其他水文学的研究，数值模拟分析已成为水文气象学家研究水文气象过程的重要手段。

本文研究的内容是基于明渠非恒定流数值模拟。

明渠非恒定流数值模拟是对明渠流动过程的模拟分析，针对明渠流动过程中水位、流速、流量及其变化过程的模拟分析，利用相关的数值技术和数值模拟工具，建立明渠非恒定流数值模拟系统，并进行模拟分析。

明渠非恒定流数值模拟的基本原理是，利用Navier-Stokes方程来描述明渠流动过程，然后利用数值方法解决方程，同时考虑渠床及渠坎起伏、渠床及边坡阻力等影响，从而预测水位、流速、流量及其变化规律。

在明渠非恒定流数值模拟系统中，首先要构建一个明渠流动数学模型，其次根据明渠的位置特征，设定明渠的几何形态，最后根据实际情况，计算明渠的水力参数，包括流量、水位、流速等参数。

之后，根据明渠非恒定流动特性选择数值解法，采用Finite Volume Method、Finite Difference Method等多种数值解法计算数值解，最后可以得到明渠的水力特性及其变化规律。

明渠非恒定流数值模拟有助于研究水位、流速、流量及其变化规律，为水文气象研究、监测和控制提供了重要的理论依据。

首先，它可以帮助水文气象学家正确识别、表征明渠的水文气象参数，根据实际应用情况，选择最佳的模型及参数；其次，它可以计算出明渠地貌阻力对水文气象参数影响的程度；最后，它可以根据水文气象参数，进行水文气象过程的预测分析，为明渠的安全管理和运行提供有力的技术支持。

目前，明渠非恒定流数值模拟在水文气象参数估算、水文气象过程解释、水位演变分析、水利工程设计等方面发挥着重要的作用，但也存在一些问题，比如数据采集方面的不足，还有结果计算偏差大等问题，需要在今后的研究中加以解决。

综上所述，明渠非恒定流数值模拟可以帮助水文气象学家正确识别、表征明渠的水文气象参数，为水文气象研究、监测和控制提供重要的理论依据，在水位演变分析、水利工程设计等方面发挥着重要的作用。

一种基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置

专利名称：一种基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置
专利类型：发明专利
发明人：佘文轩,郭春雨,吴铁成,郭欣雨,李佳骏,孙守超,张东汗
申请号：CN201810569678.X
申请日：20180605
公开号：CN108760234A
公开日：
20181106
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及实验流体力学中非接触式的流场测量领域，具体涉及一种基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置。

本发明将粒子图像测速(PIV)技术和粒子图像追踪(PTV)技术耦合，用尺度极小的示踪粒子来代替并标记液体流场中的流体质点，在固体与液体相交边界处使用罗丹明试剂进行标记，在波长532nm激光的照射下，用高速相机记录被标记的流体质点运动轨迹以及标记的物体边界运动轨迹，能够在一次试验中同时获得流场的流动信息和物体的运动信息，避免了重复试验之间的数据测量误差，减少了试验工作量和成本。

申请人：哈尔滨工程大学
地址：150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学科技处知识产权办公室国籍：CN
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含非淹没刚性植物明渠水流结构试验研究

图1试验装置立面示意图（单位：mm）115 /除了上述规律以外，这几个特征量在垂向分布上还有别的规律。

u在垂向的分布趋于平衡。

与不含植物明渠中u符合的对数率不同，呈现增大→趋于不变→减小的规律。

T u的垂向分布规律大致为渠底与水面大，水体内部小。

T v的垂向分布有渠底与水面小，水体内部大的规律。

3.3不同植物密度情况下水流结构分析种植挺水植物时，植物密度是重要的量，需考虑其影响。

分析B1和B2的u、Tu、Tv的规律，结果见图3。

可见，植物密度I对u、T u、T v有影响。

其他条件相同，从渠底至约0.65H 处，I大的水体u比I小的水体大。

而从约0.65H处至水面则相反。

I大，所占用的水体空间就更大，流量Q与水深H相同时势必会增大流速。

同事非淹没植物受水流影响的摆动反作用于水流，I 大的水体靠近水面部分受到的影响更大，这也导致了在约0.65H处以上I大的水流速度变得比I小的水流速度小。

T u、T v也受到I变化的影响，其他条件相同时，I大的水体，T u、T v都大于I小的水体。

在河道中种植植物时需要考虑到其密度对水流结构的影响。

3.4不同水深情况下水流结构分析同一条河道中的底高程会有一定的变化，高程的变化势必会影响水流流态。

对比C1~C3工况下的u、T u、T v的变化规律。

对比结果见图4。

从图4可以看出，其他条件相同的情况下，水深H对于含植物水流的顺水流方向流速u，顺水流方向紊动量T u、垂直水流方向紊动量T v均有影响。

u随着水深H的减小而增大，H从大变小，过水断面面积从大变小，所以u逐渐变大。

在明渠中，遇到底高程降低的情况，如河底局部被挖泥，流速会减小，通过这一段河床后流速会增大，流速的变化影响着河道冲淤。

在河道整治过程中，河底高程的变化应当加以考虑。

T u、T v也随着水深H的减小而增大，的同时，逐渐降低，渠底。

4.总结本文分别研究了不同流量、植物密度、水深情况下含非淹没刚性植物水流的u、T u、T v的规律。

明渠湍流的分形特征研究

明渠湍流的分形特征研究采用PIV实验技术对明渠流动的湍流场进行了测量，表明湍流速度的分布相当无序，随着时间和空间位置做很不规则的、突变式的脉动。

求解速度沿流向的分维数为1.4723，相关系数达0.91，说明湍流速度确实存在某一尺度范围的自相似性。

并且这一分维数随着湍流的流向发展逐渐减小，反映出湍流能量逐渐耗散的过程。

标签：湍流；分形；PIV1 概述明渠流是最常见的水流形式之一，在天然河道和人工输水渠道中都常常见到。

明渠中的水流运动以湍流为主，研究明渠湍流的分形特征，是从机理层面解决明渠的流态问题，为水环境管理控制和工程应用提供理论指导和技术支持。

分形理论最早在1982年由罗德布罗特（Mandelbrot）提出，其研究对象是没有特征长度、局部和整体自相似的图形。

湍流的嵌套结构和耗散结构即是具有自相似性的證据，自1926年Richardson就猜测，在相当大的标度范围内，湍流由自相似的涡旋组成，1941年Kolmogorov提出了反映自相似结构的能谱和结构函数的分析表达式，随后Mandelbrot和Frisch将均匀各向同性的Kolmogorov湍流模型扩展到间歇性湍流模型，为利用分形这一新数学方法研究湍流奠定了理论基础。

随着图形图像技术的发展，湍流信息越来越易于获取，极大推动了湍流分形特征研究的发展。

2005年，Ali Naghi Ziaei测定了实验室水槽中Re=29000～85000的湍流速度分量ux，uy，以及雷诺切应力的分形维数，分别为1.615，1.657和1.559，这与Kolmogorov模型中的流速度信号理论分形维数Df=5/3非常接近，为利用分形理论研究湍流运动指明了方向。

本论文中，采用有机玻璃模型模拟明渠，在水流中投入示踪粒子跟随水流运动，采用PIV技术测量水流速度场，通过分析水流的瞬时速度沿流线的发展规律，研究湍流速度场的分形特征。

2 实验装置和研究方法2.1 实验装置本论文的明渠模型采用有机玻璃和UPVC板制成，其构造如图1所示。

基于PIV技术的明渠非恒定流试验系统

第28卷第2期重庆交通大学学报(自然科学版)V o.l 28 No .22009年4月J OURNA L O F C HONGQ I NG JI AOTONG UN I VER SI TY (NATURAL SC IE N CE)A pr .2009基于PI V 技术的明渠非恒定流试验系统收稿日期:2008 11 11;修订日期:2008 11 25基金项目: 十一五国家科技支撑计划项目(2006BAB05B01)作者简介:胡江(1977 ),男,四川绵阳人,博士,主要从事水力学及河流动力学的研究及教学工作。

胡江,杨胜发,王涛(重庆交通大学河海学院,重庆400074)摘要:建立了一套高精度的明渠非恒定流试验系统,通过计算机及变频器控制水泵转速产生非恒定流过程,由电磁流量计、超声水位计实时监测流量和水位变化过程,并通过PIV 流场仪进行流场测量。

该系统不但能生成连续、稳定的周期性非恒定流过程,很大程度改进了明渠非恒定流的试验手段。

关键词:明渠非恒定流;粒子成像速度场;试验系统中图分类号:TV 133 2 文献标志码:A 文章编号:1674 0696(2009)02 0306 04Experi m ental Syste m for Unsteady F lo w s of O pen ChannelBased on P I V TechnologyHU Jiang ,YANG Sheng fa ,WANG T ao(School o f R i ver &O cean Eng i neering ,Chongqi ng Jiao tong U niversity ,Chongqing 400074,Ch i na)Abstrac t :O ne experi m ental syste m w ith h i gh accuracy is estab lished for unsteady flows o f open channe ,l wh i ch can gene r a te conti nuousl y unsteady fl ow s through the rota ti on speed o f w ater pump controlled by compu ter and transducer T he discharge and t he chang e o fw ate r leve l are m on itored i n rea l ti m e by e l ec trom agnetic fl ow m eter and u ltrason ic w ater l eve l re corde r ;and the fl ow fie l d m easure m ent are carried out by particle i m ag i ne ve l oc ity (P I V ) It i s showed tha t the exper i m ent syste m can not only genera te unstab l e flo w s conti nuously and stab l y ,bu t a lso pro m ote the experi m entalm easures o f unstead y fl ow s o f open channe l K ey word s :unsteady flo w s of open channe;l P I V (P arti c le I m ag i ne V e locity);expe ri m en tal system1 引言明渠非恒定流的特性一直是水力学及河流动力学普遍关心的基础问题。

明渠非恒定流传播特性及流速分布研究

1 明渠非恒定流传播特性明渠非恒定流传播过程中，存在波的变形，不但沿时间存在横向变形，而且纵向波高上也在变化。

通常来说，周期性非恒定流在传播时，随着传播距离的增加，其上升段往往越来越陡，下降段越来越缓，甚至出现波的破碎现象，但总的周期保持不变；而在波的高度上，随着传播距离增加存在坦化现象，波幅越来越小，波峰变矮而波谷变高，非恒定流有逐渐均匀化的趋势（如图1所示）。

非恒定流的横纵变形，导致非恒定流在传播过程中沿程水深和流量变幅及波形不一致，使得非恒定流的传播表现出与恒定流不同的性质。

从诸多工程问题来说，波速如何确定，波峰和波谷的高度如何计算等是大家较为关心的，但是，1.1 试验条件1.1.1 非恒定流过程的概化非恒定流试验都采用正弦函数表示的周期性非恒定流过程。

对于周期为T 的非恒定流，给定如下形式的非恒定流过程：)22()(210ππ-+=T t Sin x Q Q Q b （1）20 t(s)Q ,H1 明渠非恒定流传播过程波形变化图示)22()(210ππ-+=T t Sin x A A A b （2）式中：0Q 为基流；b Q 为非恒定波的波幅，即流量的变幅；t 为时间；0A 为基流的过水面积，b A 为面积的变幅。

1.1.2 水槽底坡的确定为了简化问题寻求规律，同时也方便同均匀流对比，本文试验均在正坡条件下进行，坡度为3‰、5‰，恒定流时在自由出流状态下能形成均匀流，非恒定流状态下当周期较大则趋近于均匀流状态。

1.1.3 试验段的选择水槽的4＃～7＃水尺之间，在恒定流时能形成均匀流，而在非恒定流状态下， 4＃～7＃水尺之间最大最小水深相差很小，最大水深连线和最小水深连线基本水平。

因而，非恒定流状态下，4＃～7＃水尺形成一种特殊的、相对较为稳定的非恒定流，其波高基本不变，4＃～7＃水尺之间即为本文非恒定流的试验段。

x(m)H (m )图2 比降3‰时非恒定流波的沿程分布 (T=20s,Q=15~40L/s)1.1.4 水流条件从前面的分析也可知，在3‰、5‰坡度下3～40L/s 之间的流量时，恒定流在28m 水槽4～7＃水尺之间能形成均匀流，非恒定流下则能形成相对稳定的非恒定流状态。

离心泵内部不稳定流动的PIV测试

离心泵内部不稳定流动的PIV测试任芸;吴登昊;刘厚林;蒋兰芳【摘要】以一台比转数为74的离心泵为研究对象,首先通过外特性试验发现当流量约低于18 m3/h后,泵的扬程随流量变化非常小,然后采用PIV技术探索了该扬程曲线下叶轮流道内不稳定流动涡的发生、发展规律.试验结果表明:不稳定流动在0.6QBEP工况开始产生,直到0.4QBEP工况得到发展,最后在0.1QBEP时几乎扩展到整个叶轮流道;叶轮旋转过程中,靠近蜗壳隔舌处的叶轮流道内流动最不稳定,也是最先出现分离涡的流道;随着流量的降低,附着于叶片工作面的分离涡逐渐增多、汇聚,不断发展的漩涡向流道出口移动的同时,也偏向于流道中心.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2015(046)002【总页数】6页(P46-51)【关键词】离心泵;不稳定流动;外特性;分离涡;PIV【作者】任芸;吴登昊;刘厚林;蒋兰芳【作者单位】浙江工业大学之江学院,杭州310024;浙江工业大学之江学院,杭州310024;江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013;浙江工业大学之江学院,杭州310024【正文语种】中文【中图分类】TH311引言在离心泵内，尤其是在叶轮内，由于强旋转、大曲率、粘性以及逆压梯度的作用，不可避免地影响各种边界层厚度、损失以及各种不稳定流动现象，如脱流、漩涡、二次流、失速等;另外，由于动-静部件之间的相互干扰，形成了离心泵内部流动特有的非定常性［1－2］。

这些特征的存在使得离心泵内部流动是流体动力学中最复杂的流动之一［3－4］。

因此，反映实际物理现象的三维粘性非定常流场的研究便构成了现代离心泵的主要研究方向之一［5］。

随着近代光学、激光技术、计算机技术、图像处理技术的发展，基于拉格朗日质点运动研究流体运动的非接触式瞬态流场测试技术(Particle image velocimetry，PIV)已成为研究叶轮机械内部流动规律的先进测试手段［6－9］。

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该系统不但能生成连续、稳定的周期性非恒定流过程,很大程度改进了明渠非恒定流的试验手段。

由于明渠非恒定流问题较为复杂,受测量手段的限制,该方面的研究一直未能有较大突破,相对于其它学科来说发展较为滞后。

首先是非恒定流的控制,电磁流量计和电动调节阀构成的系统以及可调节量水堰虽然可以进行非恒定流试验,但是测量精度以及反应速率均不理想[1-4];其次,在水位测量方面采用传统的水位计以及探针不但反应速率慢,而且可能造成水流的扰动;而在流速测量方面,单点测量无法满足非恒定流的试验需求。

目前,尽管众多学者从非恒定流的控制到非恒定流水流特性等方面进行过研究[5-13],在一定程度上加深了人们对非恒定流规律的认识,但受限于这样或是那样的试验条件,至今未得到广泛认可的结论。

当前,随着水利开发建设步伐的加快,河道非恒定流问题日益突出。

上游下泄的非恒定流到底对下游河道的通航条件、港口码头的安全运行以及航道的演变会产生什么影响,都还不得而知,回答这些问题还需要非恒定流运动特性的进一步明确。

发展更为先进的测量手段、寻求新的思路来研究明渠非恒定流的传播规律及运动特性,对于水利学科的发展以及港口航运工程、城市防洪等实际问题的解决,都具有重要的理论和实际意义。

本文基于PI V 流场测量技术,建立了一套高精度明渠非恒定流试验系统,主要包括5m 高精度变坡玻璃水槽,PI V 流场仪、超声水位计、变频器和电磁流量计以及同步触发控制程序。

系统通过计算机及变频器控制水泵转速产生非恒定流过程,由电磁流量计、超声水位计实时监测流量和水位变化过程,并由PI V 流场仪进行剖面流场测量。

整个测控系统具有稳定性好、对水流无干扰和测量准确及时的特点,较以往的非恒定流测控技术有了较大突破。

2 非恒定流研究现状明渠非恒定流的研究中,u*的确定是关键和难点。

Jensen[14](1989)研究震荡流发现,除了在早期的加速阶段和末期的减速阶段,整个过程中流速分布均遵守对数律。

Akhavan et al[15](1991)在管道内的试验结果认为管道内仍然存在流速的3个分区,对数区内k=0 41,C值在2 5~4 5之间。

Brereton et a l16(1995)推断对数律仍然适合非恒定流。

N aga no et al[17](1993)利用热线测量了非常靠近壁面的压力梯度,发现k=0 41,C随压力变化而变化, Spa lart[18](1987)、Spa lart et a l[19](1993)通过边界层理论的直接数值计算也获得同样的结果。

N ezu et al[20-21](1993,1994)则利用k=0 41,C值变化讨论过u*的变化过程。

Tu[6](1991)、Song[7](1994)和Ro w i n sk i[22](2000)都认为非恒定流的u*计算方法不同于恒定流,而且提出了可以用Sa i n t-V enan t方程计算,但是在参数的选择上差异颇大,再加上各项参数不易确定,因而本身也没有得到很好的结果。

N ezu[10](1997)认为二维非恒定紊流运动方程中,非恒定时变项占主导地位,对流项可以忽略不计; Qu[12](2003)通过试验认为Saint-V enant方程在某些时段会低估底部剪切力,而某些时段出现负的剪切力,所以无法用Sa i n t-Venant方程获得底部摩阻u*,同样的观点出现在刘春晶[13](2004)的研究中。

所以,目前对于明渠非恒定流的研究基本上还是采用了对数律反算u*的方式,同时试算积分常数C 值,大多并不是一个完整的体系,从而导致试验结果差异很大。

很明显,要想搞清楚清渠非恒定流的紊动结构,还是要依靠更为先进的试验手段并摆脱固有思路的束缚,对其进行系统的试验研究。

3 非恒定流控制系统3 1 变坡水槽高精度变坡水槽全长5m,宽0 2m,高0 2m,试验段为玻璃,首尾为有机玻璃。

为减小水槽边壁接头对水流的影响,水槽的侧面和底面均由3 6m 长的玻璃板组成,玻璃安装误差小于0 2mm,水槽全长误差小于0 3mm。

为方便PI V进光以及照相机拍照,玻璃底板与边壁玻璃之间采用斜口黏接。

为消减水泵电机振动对水槽的影响,水槽供水系统与槽身之间采用柔性管道连接(图1)。

图1 高精度明渠水流试验系统3 2 供回水系统供回水系统由计算机控制,通过计算机发出给变频器的指令控制水泵转速调节供水流量以产生稳定的非恒定流过程。

试验供水水箱面积为2 5m2,设计容量1200L,供回水过程如图2。

图2 非恒定流试验系统供回水供水系统采用5LN 33A农排泵,最大流量25L/s,扬程3 5m,电机功率1 5k W。

变频器功率为7 5k W,其输出频率与实测流量间的标定关系如式(1),标定曲线见图3。

Q=0 0012x3-0 101x2+3 3489x-34 266(1)式中,Q为水泵出流量,L/s;x为变频器频率,H z。

式(1)相关系数为0 9999。

图3 变频器标定关系曲线4 非恒定流测量系统非恒定流试验时流量、水深以及流速均随时间而变化,为了获得实时的非恒定流信息,笔者设计了一套由计算机控制的测量系统,可以进行同步实时测量非恒定流的流量、水深以及流场变化过程。

4 1 流量测量试验中流量由安置于水泵与水槽之间供水管道上的电磁流量计测定。

电磁流量计与计算机之间通307第2期胡江,等:基于PI V技术的明渠非恒定流试验系统过AD 板进行通信,AD 板采集到流量计的实时电压值传输至计算机,计算机再通过流量计的电压-流量关系将其转换为实时流量,采样频率为10H z 。

对流量计的电压与流量进行率定,并利用多项式拟合得出了电压-流量计读数间的关系如式(2):Q =2 4838x +0 0311(2)式中,Q 为流量计实测流量,L /s ;x 为电磁流量计电压,V 。

式(2)相关系数为0 9998。

4 2 水深测量采用由同步控制程序触发控制的超声水位计进行水深测量,沿水槽共布设了4个超声水位探头,其安装高度距离水面不小于0 05m 。

超声水位计原理为探头发送的超声波遇到水面反射以后返回探头,根据超声波发送以及返回的时间即可得到探头与水面之间的距离。

超声水位计的输出电压与测量距离之间成线性关系,其采样频率为10H z 。

对4个水位计进行率定,得到的实测电压与水深之间的关系如式(3),率定曲线见图4。

H =0 09x +0 01(3)式中,H 为水深,m;x 为超声水位计输出电压,V 。

式(3)相关系数为0 9996。

图4 超声水位计电压-水位关系4 3 流速测量明渠非恒定流流速场测量采用美国TSI 公司生产的粒子成像速度场测量仪系统(Partic le I m age V e l o c i m etry ,PI V )。

PI V 系统包括以下组件:双脉冲激光器(能量190m J ,频率15H z);光臂及片光透镜组(360 可动光臂,球面及柱面透镜组);跨帧CCD 相机(分辨率1600 1200像素,最小跨帧时间10 s ,12位输出);同步器(可接受外触发);图象采集及数据分析系统。