采用PIV研究离心泵转轮内部瞬态流场x（1.上海交通大学能源与动力工程学院，上海200030；2.扬州大学水利与建筑工程学院，江苏扬州225009；3.上海交通大学船舶与海洋工程学院，上海200030）内非定常流动的难题奠定了良好的基础，代表着水力机械内部复杂流动测试技术的方向。本文将二维数字式PIV系统成功地应用于清水离心泵。

　　2.1试验泵和循环系统一般离心泵的结构是进水口与泵轴分布在泵的两侧，而在运用二维的PIV技术测试时，要求片光源所在平面（即流场测试截面）与照相机成垂直布置，如所示，由于水泵自身的结构特点，使得水泵内部流场的测试区域受到了很大的限制，很显然泵的入口部分是难以测到的。这也是PIV在水力机械上应用的难点所在。

　　WemetMP曾在离心风机中将片光源导入风机内来测量转轮内部流场，取得了理想的结果。但将此方法用来测量水泵内的流场，需要用到防水透镜，这将给测试带来更大的难度。为此本文将离心泵进行改型设计，离心泵的进水口与泵轴布置在同一侧，其结构如所示。

　　片光源从垂直于泵轴的方向导入，可以用照相机拍摄到整个叶槽内的流场。使其既能满足PIV的测试要求，又对泵的进水条件影响不大，很好的解决了这一问题。

　　模型泵转轮采用速度系数法进行设计，共有5张单弧圆柱形叶片，叶片出口角为32. 3°进口角为39.5°包角为68.4°进口宽度13.7mm，为了减少流道扩张损失，出口宽度为8.泵设计流量为25m3h设计扬程为8m，设计转速为1450min比转数为93.其结构尺寸如所示。泵转轮和蜗壳均为有机玻璃材料，其余为不锈钢。有机玻璃质地均匀，无气泡和杂质。各个表面均抛光处理，粗糙度达到3.2.试验时通过变频电源对电机进行无级调速。扬程由差压变送器测取静扬程，动扬程通过流量和过流断面积计算而得。流量由涡轮流量计测取麟转速由义测得。在试验转速“的工况下，约7流量为20.杨华等：采用PIV研究离心泵转轮内部瞬态流场离心泵装置图离心泵叶轮结构示意。PIV测试系统本文采用的测试仪器是美国TSI生产的立体PIV系统，其组成如所示。另外在电机轴上装上旋转编码器，泵每旋转一周发出一个脉冲信号，触发同步器，这样使相机每次拍摄的区域是同一个叶槽。工作时编码器先给同步器一个触发信号，然后同步器将激光器和CCD进行匹配，在同步器上可以设置激光的工作方CCD的工作方式、脉冲的延迟时间和双脉冲的时间间隔等。

　　两台激光器及光路系统封装成一体。激光器的工作频率为15Hz，每个脉冲大能量50mJ，两激光器脉冲时间间隔的可调整范围为200re到0.5s可以满足从低速到高速流动的测量要求。通过一个由球面镜和柱面镜组成的光学组件，将激光变为所需要的片光源。在CCD的采集区域内，片光源厚度约为1.0，测试区域约为100mmX 100mm.试验中所使用的照相机的分辨率为1000X1016像素，相机的采集速度可达30帧S采用互相关进行图像分析时，系统大采样率为15个速度场S 3.2软件在WindowsNT4.0的工作平台上实现。计算机能连续捕获1000帧高分辨率图像的能力，具有批处理功能，可以实现对不同的图像在相同的位置的速度场分析。

　　3测量断面的布置和工况由于水泵制作的条件所限，泵在高速运行时，叶轮中出现较大的空气泡，噪音较大，导致图像分析时出现错误。所以决定转速下降到750rInin进行测试，此时雷诺数Re按公式D22/v计算为2.5X 106，大于2.0X105，按相似理论换算流量扬程，共测量了三种工况、三处断面、三个窗口共27组方案。限于篇幅，本文仅报道部分数据。选择的两处工况点的流量分别为1. 0、0.4倍优流量。测量断面如所示。试验所用示踪粒子是白色Al23粉末，直径约为8~.叶片及蜗壳反光强烈的非测试区域需要涂黑，以减小背景噪声。为窗口1的原始图像照片。

　　水动力学研究与进展测量断面示意图在窗口1所拍摄的原始图像4试验结果与讨论测试所得到的速度为转轮中液体的流动速度，按速度三角形分解为相对速度和切向速度，这里仅给出相对速度分布。如、所示。

　　在优流量工况下，当半径较小靠近叶轮进口时，叶片吸力面附近相对流速比压力面相对流速高，高相对流速位于吸力面，由吸力面到压力面相对流速单调下降，与有势流动预测的流速分布相似。

　　窗口1在优流量工况点相对速度矢量图杨华等：采用PIV研究离心泵转轮内部瞬态流场窗口1在小流量工况点相对速度矢量图随着半径的增大，吸力面相对流速逐渐减小，压力面相对流速逐渐增大，吸力面与压力面的相对流速逐渐减小。旋转的叶轮把其入口附近的吸力面高、压力面低的不均匀相对流速剖面逐渐转化为吸力面低、压力面高较均匀的相对流速剖面，这与等得到的试验和计算结果是一致的。

　　在小流量工况下，在窗口1的进口和吸力面的出口处，可以看到回流现象。由于叶轮旋转引起的压力梯度由压力面指向吸力面，所以可以推测压力面边界层是不稳定的，于是回流区低速水流与周围高速水流迅速混合重新附着在叶片上。

　　无论所测试的工况如何，离心泵内的速度或相对速度场均显示出非对称性，这与的结论是一致的。至今，在许多离心泵叶轮设计方法中，很多是采用中心对称流动这一假定。由实验可知这是不符合离心泵内的实际流动情况的，认为离心泵转轮内流场的非对称性是蜗壳和叶轮的相互作用的结果。旋转流场经过蜗舌时，在蜗舌两侧的液体流动方向发生了改变。

　　5结论提高离心泵的性能，关键在于对其内部流动现象、流动结构和能量损失机理具有深刻认识。由于要了解泵内基本流动、模化流动物理过程和发展相关的设计、计算方法，需要进行深入细致的实验研究，同时数值模拟的可靠性、结果的准确性也迫切需要实验提供大量、客观和可靠的数据给予验证。所以实验研究成为探索泵内部流动规律的主要方法。由于离心泵结构形状复杂，加之介质为水，使得研究泵转轮内部流动所需的试验成本高，试验周期较长。

　　本文在改型的离心泵内运用PIV进行实验研究，获得了完整叶槽内的流速分布。研究结果为非定常流动的数值计算以及设计提供了重要的基础。

　　采用PIV来测试泵转轮内部流场的误差和精度尚需要作进一步的分析，以便测试数据的可靠性有比较好的定量评估。

　　水动力学研究与进展