水泵模型内部流场PIV测试研究
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小 番柱 采
２０１８年第３期
水泵模型 内部流场 ＰＩＶ测试研究
沙 龙 谭佳健 张 义 裴 林 王金生
（沈 阳鼓 风机 集 团股份 有 限公 司 ，沈 阳 ；１ １０８６９）
摘要 ：本文采用 ＰＩＶ（粒子 图像速度仪 ）测试系统来测量水泵模型 内部 流场 的速度分 布情况 ，同时采用 ＮＵＭＥＣＡ软 件对试验工况进行数值计 算。在试验前 ，对泵壳改造 的可行性进行 了性能计 算验证 ，对可视化试验部件 的强度进行 了应 力分析。在试验中共选取 了 ４个转速 ，在每个转速下分别选取 ３个流量工况 ，每个工况测量 ３个流场截面 。通过试验测 得的整泵性能和泵内流场 速度 分布特性均与数值计算结果 良好吻合 ，为数值计算 方法 的准确性提供 了有力的验证 ，为计 算方法和优化设 计方法的改进 方向提供 了参考 。
ＰＩＶ测 量技 术 已经 成 为研 究离 心 泵 内流 场 的重 要 测 量 手 段 ，能 够 用 来 研 究 整 个 水 泵 流 道 内的 定 常和非定常流动状态 ；能在一定程度上 刻画 出流 动 过 程 出现 的 旋 涡 、尾 迹 、二 次 流 等 流 动 现 象 。 国内江苏大学 、扬州大学 、清华大学 、西安交通 大 学 、南 京 工 业 大 学 等 高 校 已经 在 该 方 面 做 了大
２０１８年第 ３期
片
小 荪柱 木
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
图 １ ＰＩＶ测 试 系统 不 意 图
图 ２ 试 验 测 试 系统
术 完成对 流 场某截 面 的速度 测 量 。粒 子 成像测 速 系 统包 括多 个 子系统 。 在 大部 分 的测量 应用 中 ，测量 流场 中需 加入 示踪 粒子 ，以示踪 粒子 的运 动代 替 固 液 两相 的运动 。流 场 中一个 平 面内 的示踪 粒子 需在 一 个 很短 的 时间 间隔 内至少 被照 明两 次 ，照 明光源 是 由激光 器产 生 的激光 束通 过一 组球 面 和圆柱 型组 合透镜 展 开成具 有一 定厚 度 、一 定光 强并且 分 布均 匀 的片 光 。示 踪粒 子 被 片光 照 明 后 发生 光 的 散 射 ， 并被单帧图像或双帧图像记录下来 。对于二维流场 测量 ，记录仪器的放置位置需与片光平面垂直 ，拍 摄照 明截 面 内的颗 粒瞬 态 图像 Ｉ 捌。
关键 词 ： 核 主泵 ＰＩＶ（粒 子 图像速 度 仪 ） 可视 化试 验 流场 速 度分布 数值计 算 中 图分类 号 ：ＴＨ３１１ 文献 标识 码 ：Ａ
引 言
数值模拟与试验研究交互 式结合是研究泵 内 部 流动规 律 、指 导泵水 力模型设计 的重 要手段 。 然而数值模 拟结果 的准确 性还必须通过试验提供 实测数据 给予验证 ，而适 当的测试 方法是保证试 验结果 可靠性 的关键【．－ｚ－。泵 内流场测量有光学 和 非 光 学 两 种 测 量技 术 ，由 于 非 光 学 的 测 量 技 术 对 流场 的 干扰 性 ，在 试 验 研 究 中 已 渐 为 非 接 触 式 激 光测试技术所代替［３－８１。在 ２０世纪 ８０年代发展起来 的基于 拉格 朗 日质点 运动 的非 接触 式 瞬态 流场 测试 技术的粒子 图像速度仪—－Ｐ叭ｉｅｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｅｉｍｅｔｒｙ （以下 简称 ＰＩＶ），可 在 同一 时刻 记 录获 得 流 动 的瞬 时 速 度 场 ，已成 为 研 究 叶轮 机 械 内部 流 场 的 一 种 先 进 测试 手 段 ３１。 本 文采 用 美 国 ＴＳＩ公 司 生 产 的 ＰＩＶ作 为试 验 测试 手段 来 研究 某核 主泵模 型 内过 流 部 件 的 流动 状 况 ，为 该 主 泵水 力 分 析 中 的 ＣＦＤ计 算结果提供试验依据 。
量 的研究工作 。将 ＰＩＶ技术用 于测试实 际离心泵 内部流场 尚不多见 ，多是将普通离心泵进行改 型设 计后再用 ＰＩＶ技术对其模型泵 的内部 流场进 行测 试。受摄像机拍摄要求 限制 ，模型泵待测流道多 由 透明材料加工而成 （一般为有机玻璃 ）；受有机玻璃 加工 性能 及强 度 的 限制 ，模 型泵 在某 些结 构上 必 须 做些 简化 。为在进 行泵 内部 流场 测试 的同时兼 顾 泵 的性能试验和汽蚀试验等外特性测试 ，测量用 的试 验 台多搭 建成 闭式 循环 试验 台。本文 的试 验研 究将 在 最 大 程 度 上 兼 顾 核 主泵 模 型 的性 能试 验 和 ＰＩＶ 可视化 试 验 ，整个 试验 系统 均 为不锈 钢材 质 ，只 有 激光入射窗 口、拍摄窗口以及待测部位的零件为有 机玻璃材质 ，这样测得的流场结果更具真实性和实 用性 ，可 以为 数值 计算 提供 有力 的验 证 。
１ 研究方法
本文研究对象为一台核主泵的缩 比模型。在试 验进行 的 同时 ，采用 ＣＦＤ软件 ＮＵＭＥＣＡ对 主 泵模 型进行与试验工况相一致 的数值模拟 ，总网格节点 数 约 为 １０５７万 。
本 试 验 采用 的 ＰＩＶ测试 系统 主 要 由照 明系 统 、 成 像 系统 、图像 处理 系 统及 坐标 架 系统 组 成 ，图 １ 为本 文试 验 采用 的 ＰＩＶ测试 系 统示 意 图 。ＰＩＶ粒 子 成 像测 速技 术 主要 是利用 先 进 的激 光 技术 和成 像技
为 了使 水 泵 模 型 结 构 满 足 ＰＩＶ测 量 设 备 的需 求 ，本试验在泵体侧面设置了透明视窗 ，在轴向保 证 片光 源 可 以照 射 到待测 截 面且 满足 相机镜 头 的成 像范围，在径向保证片光源可 以照射到一个完整的 流道 。同时 ，将 密 封 函体 加 工 成部 分 透 明的 结构 ， 保证 ＣＣＤ相机镜 头可以垂直拍摄 到待测截面 。此 外 ，本试 验模 型 中 的叶轮 、导 叶 以及 吸入导 管均 采 用 有机玻 璃 制造 。试 验测试 系统布 置如 图 ２所示 。
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水泵模型 内部流场 ＰＩＶ测试研究
沙 龙 谭佳健 张 义 裴 林 王金生
（沈 阳鼓 风机 集 团股份 有 限公 司 ，沈 阳 ；１ １０８６９）
摘要 ：本文采用 ＰＩＶ（粒子 图像速度仪 ）测试系统来测量水泵模型 内部 流场 的速度分 布情况 ，同时采用 ＮＵＭＥＣＡ软 件对试验工况进行数值计 算。在试验前 ，对泵壳改造 的可行性进行 了性能计 算验证 ，对可视化试验部件 的强度进行 了应 力分析。在试验中共选取 了 ４个转速 ，在每个转速下分别选取 ３个流量工况 ，每个工况测量 ３个流场截面 。通过试验测 得的整泵性能和泵内流场 速度 分布特性均与数值计算结果 良好吻合 ，为数值计算 方法 的准确性提供 了有力的验证 ，为计 算方法和优化设 计方法的改进 方向提供 了参考 。
ＰＩＶ测 量技 术 已经 成 为研 究离 心 泵 内流 场 的重 要 测 量 手 段 ，能 够 用 来 研 究 整 个 水 泵 流 道 内的 定 常和非定常流动状态 ；能在一定程度上 刻画 出流 动 过 程 出现 的 旋 涡 、尾 迹 、二 次 流 等 流 动 现 象 。 国内江苏大学 、扬州大学 、清华大学 、西安交通 大 学 、南 京 工 业 大 学 等 高 校 已经 在 该 方 面 做 了大
２０１８年第 ３期
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图 １ ＰＩＶ测 试 系统 不 意 图
图 ２ 试 验 测 试 系统
术 完成对 流 场某截 面 的速度 测 量 。粒 子 成像测 速 系 统包 括多 个 子系统 。 在 大部 分 的测量 应用 中 ，测量 流场 中需 加入 示踪 粒子 ，以示踪 粒子 的运 动代 替 固 液 两相 的运动 。流 场 中一个 平 面内 的示踪 粒子 需在 一 个 很短 的 时间 间隔 内至少 被照 明两 次 ，照 明光源 是 由激光 器产 生 的激光 束通 过一 组球 面 和圆柱 型组 合透镜 展 开成具 有一 定厚 度 、一 定光 强并且 分 布均 匀 的片 光 。示 踪粒 子 被 片光 照 明 后 发生 光 的 散 射 ， 并被单帧图像或双帧图像记录下来 。对于二维流场 测量 ，记录仪器的放置位置需与片光平面垂直 ，拍 摄照 明截 面 内的颗 粒瞬 态 图像 Ｉ 捌。
关键 词 ： 核 主泵 ＰＩＶ（粒 子 图像速 度 仪 ） 可视 化试 验 流场 速 度分布 数值计 算 中 图分类 号 ：ＴＨ３１１ 文献 标识 码 ：Ａ
引 言
数值模拟与试验研究交互 式结合是研究泵 内 部 流动规 律 、指 导泵水 力模型设计 的重 要手段 。 然而数值模 拟结果 的准确 性还必须通过试验提供 实测数据 给予验证 ，而适 当的测试 方法是保证试 验结果 可靠性 的关键【．－ｚ－。泵 内流场测量有光学 和 非 光 学 两 种 测 量技 术 ，由 于 非 光 学 的 测 量 技 术 对 流场 的 干扰 性 ，在 试 验 研 究 中 已 渐 为 非 接 触 式 激 光测试技术所代替［３－８１。在 ２０世纪 ８０年代发展起来 的基于 拉格 朗 日质点 运动 的非 接触 式 瞬态 流场 测试 技术的粒子 图像速度仪—－Ｐ叭ｉｅｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｅｉｍｅｔｒｙ （以下 简称 ＰＩＶ），可 在 同一 时刻 记 录获 得 流 动 的瞬 时 速 度 场 ，已成 为 研 究 叶轮 机 械 内部 流 场 的 一 种 先 进 测试 手 段 ３１。 本 文采 用 美 国 ＴＳＩ公 司 生 产 的 ＰＩＶ作 为试 验 测试 手段 来 研究 某核 主泵模 型 内过 流 部 件 的 流动 状 况 ，为 该 主 泵水 力 分 析 中 的 ＣＦＤ计 算结果提供试验依据 。
量 的研究工作 。将 ＰＩＶ技术用 于测试实 际离心泵 内部流场 尚不多见 ，多是将普通离心泵进行改 型设 计后再用 ＰＩＶ技术对其模型泵 的内部 流场进 行测 试。受摄像机拍摄要求 限制 ，模型泵待测流道多 由 透明材料加工而成 （一般为有机玻璃 ）；受有机玻璃 加工 性能 及强 度 的 限制 ，模 型泵 在某 些结 构上 必 须 做些 简化 。为在进 行泵 内部 流场 测试 的同时兼 顾 泵 的性能试验和汽蚀试验等外特性测试 ，测量用 的试 验 台多搭 建成 闭式 循环 试验 台。本文 的试 验研 究将 在 最 大 程 度 上 兼 顾 核 主泵 模 型 的性 能试 验 和 ＰＩＶ 可视化 试 验 ，整个 试验 系统 均 为不锈 钢材 质 ，只 有 激光入射窗 口、拍摄窗口以及待测部位的零件为有 机玻璃材质 ，这样测得的流场结果更具真实性和实 用性 ，可 以为 数值 计算 提供 有力 的验 证 。
１ 研究方法
本文研究对象为一台核主泵的缩 比模型。在试 验进行 的 同时 ，采用 ＣＦＤ软件 ＮＵＭＥＣＡ对 主 泵模 型进行与试验工况相一致 的数值模拟 ，总网格节点 数 约 为 １０５７万 。
本 试 验 采用 的 ＰＩＶ测试 系统 主 要 由照 明系 统 、 成 像 系统 、图像 处理 系 统及 坐标 架 系统 组 成 ，图 １ 为本 文试 验 采用 的 ＰＩＶ测试 系 统示 意 图 。ＰＩＶ粒 子 成 像测 速技 术 主要 是利用 先 进 的激 光 技术 和成 像技
为 了使 水 泵 模 型 结 构 满 足 ＰＩＶ测 量 设 备 的需 求 ，本试验在泵体侧面设置了透明视窗 ，在轴向保 证 片光 源 可 以照 射 到待测 截 面且 满足 相机镜 头 的成 像范围，在径向保证片光源可 以照射到一个完整的 流道 。同时 ，将 密 封 函体 加 工 成部 分 透 明的 结构 ， 保证 ＣＣＤ相机镜 头可以垂直拍摄 到待测截面 。此 外 ，本试 验模 型 中 的叶轮 、导 叶 以及 吸入导 管均 采 用 有机玻 璃 制造 。试 验测试 系统布 置如 图 ２所示 。