離心泵內流場PIV測試中示蹤粒子跟隨性的研究.pdf

1、激光粒子圖像測量技術是在離心泵領域內研究泵內流場速度分布等問題的最先進的測量技術之一。由于泵內流動現象的復雜性,以及PW在離心泵內應用的特殊要求,目前離心泵內應用PIV測量還存在許多關鍵技術有待解決。PIV測量的基本原理就是利用示蹤粒子的速度來間接地反映流體的速度,因此示蹤粒子的跟隨性直接決定了試驗的測量精度。由于離心泵是一種旋轉機械,粒子在泵內運動將受到旋轉因素的影響,這種旋轉因素嚴重影響粒子的跟隨特性。現有的理論和試驗研究都是討論一

2、般的紊流場中粒子的跟隨性,并沒有考慮到旋轉特性,因此有必要建立離心泵內示蹤粒子跟隨性的計算方程,選取合適的示蹤粒子,減小由于粒子的跟隨性而引起的PIV測量誤差。本文就離心泵內流場PIV測試中示蹤粒子的跟隨性進行了較深入的研究,主要的研究工作和創(chuàng)新點有:
　　 (1)基于離心泵內固液兩相流理論,對離心泵內部湍流場中的示蹤粒子進行受力分析,建立了示蹤粒子的受力模型。根據粒子在離心泵內運動特點簡化受力模型,推導了低雷諾數下粒子在離心泵

3、內Lagrange運動方程。采用譜分析方法,利用Fourier積分首次推導了適用于離心泵內示蹤粒子跟隨性的計算公式,并分別建立了離心泵內定常和非定常流場中示蹤粒子跟隨性的數學表達式。
　　 (2)利用推導的低雷諾數下示蹤粒子在離心泵葉輪內的跟隨性計算公式對粒子的跟隨程度進行了數值計算,討論了粒子跟隨性對粒子的物理特性和離心泵內流場的依賴關系。并在現有幾種模型基礎上對比討論了各項力對粒子跟隨性的貢獻,指出了各模型的優(yōu)缺點。通過對各

4、因素的計算分析發(fā)現:密度接近流體的密度的中性懸浮粒子跟隨性較好；對于密度較大的粒子只有粒子直徑足夠小才能跟隨到一定范圍內湍流頻率的流動；粒子徑向跟隨性比周向復雜得多；在離心泵葉片壓力面中部以及壓力面出口區(qū)域粒子跟隨性較差；離心泵葉輪旋轉引起的離心力和科氏力以及流道彎曲產生的離心力對粒子跟隨性影響很大。
　　 (3)對離心泵內清水流場采用RNG k-ε模型來封閉求解雷諾時均N-S方程,然后用有限體積以及SIMPLEC算法數值求解方

5、程組。對清水流場模擬計算所預測的離心泵性能曲線與試驗性能曲線對比,驗證清水流場計算的準確性。然后在得到的清水流場計算基礎上,采用Lagrange方法分別計算不同密度、不同直徑的粒子在離心泵設計工況和非設計工況下的運動軌跡,給出了示蹤粒子運動的直觀表示,研究了離心泵內示蹤粒子的運動規(guī)律。數值模擬結果發(fā)現:粒子的密度和直徑對粒子的軌跡有重要影響,其中粒子密度與流體密度相等是一個重要的界點；在葉片壓力面出口粒子軌跡差別很大；粒子軌跡在進口直管

6、內幾乎不發(fā)生分離,而在半螺旋型吸水室、葉輪和蝸殼內發(fā)生分離；在出現漩渦等不穩(wěn)定流動的流道內,密度與流體的密度接近并且直徑小的粒子其軌跡線與流體的流線接近。
　　 (4)搭建了離心泵專用PIV測試試驗臺,在滿足PIV測試要求的模型泵內部流場中,利用PIV技術測量了三種不同物理性質的示蹤粒子在離心泵葉輪內的絕對速度；利用VC++程序對測量的絕對速度進行處理,得到離心泵內四種工況下三種粒子的時均相對速度分布；定性分析了粒子的PIV測試