旋转离心叶轮内部非定常流动的PIV测量

1、2004年第32卷第4期流体机械 1文章编号:10050329(2004 04000104试验研究旋转离心叶轮内部非定常流动的PIV 测量闻苏平1, 宫武旗1, 王学军 2, 马新民2(11西安交通大学, 陕西西安710049; 21沈阳鼓风机厂, 辽宁沈阳110021摘要:利用激光成像速度仪(PI V , 获得了旋转离心叶轮内部相对速度的非定常流场分布现, 旋转离心叶轮内部的流动是非定常的; , ; 并观察到了明显的射流/尾迹结构。, 射流区和尾流区之间不存在明显的分界线。关键词:PI ; ; 中图分类号:文献标识码:AMeasurement of U nsteady Flow in Cen

2、trifugal Impeller U sing PIVWE N Su 2ping 1,G ONG Wu 2qi 1,W ANG Xue 2jun 2,M A X in 2ming 2(11X i an Jiaotong Unvisersity ,X i an 710049,China ; 21Shenyang Blower W orks ,Shenyang 110021,China Abstract :Unsteady flow in centrifugal impeller has been measured by mean of PI V. The analyses of experim

3、ent results in jet 2wake flow have displayed the flow structure in outlet of impeller ,especially clearly revealed many compicated phenomena in flow field. The size and strength of jet 2wake flow structure in outlet of impeller was change with time. The apparent dividing line between jet and wake zo

4、ne is not be existed.K ey w ords :PI V ;impeller ;unsteady flow ;measurement1前言行定量化测量, 以实现对流场的瞬态测量。2试验装置及PI V 系统211试验装置对离心压缩机内部流场结构进行测量研究, 对于进一步提高离心压缩机的性能, 探清叶轮内部流场复杂流动的详细情况、速度与损失的关系以及附面层的影响因素, 具有十分重要的工程应用意义。计算流体力学(CFD 的进步和新的测量方法不断地被开发, 尤其是近期激光测量技术的应用与流动可视化方法的发展, 为掌握叶轮机械内部流动规律提供了更好的方法。利用激光成像速度仪(PI V

5、 技术是在流场显示的基础上, 利用近期高速发展的计算机图象处理技术对流场显示进收稿日期:20031211作者分别设计和制作了带圆弧形和直线形叶片扩压器的离心风机试验台, 主要用于进行离心叶轮内部气流流动及扩压器、蜗壳等固定元件内气流流动特性的研究。整个试验测量装置如图1所示, 由离心叶轮及静子元件、稳流段、直流电动机、可控硅整流柜四部分组成。试验用离心叶轮为闭式、后弯式单圆弧叶轮, 用5mm 厚的有机玻F LUI D M ACHI NERY Vol 132,No 14,20042璃制定。为了能够使CC D 照相机清楚地拍摄到叶道内的气流流动, 在轮盖的一个叶道透明材料加工上安装了光学玻璃窗口。

6、叶轮转速在03000r/min 范围内无级可调。叶轮的几何尺寸参数如表1所示 。表1离心叶轮的几何尺寸外径内径进口安装角类型叶片数 ( ( ( (400260263014气流从叶轮出来后进入无叶扩压器, 再进入截面为矩形的蜗壳。在测量过程中, 激光片光源分别通过蜗壳顶部的光学窗口进入叶片扩压器和叶轮流道内部, 照亮示踪粒子。蜗壳前表面开有矩形窗口, 窗口的大小刚好与所测叶轮的流道和扩压器流道大小一致。蜗壳出口与稳流段进口由一等截面的大小头联接, 230mm 320mm , 长度。段内按照T 的, 、静压2所示。叶轮转子由一台功率为5kW 的直流电机带动, 可控硅整流柜的作用是把交流电转换为直流

7、电提供给直流电动机,图1PI V 试验装置示意并通过调节电流来改变叶轮的转速。激光片光源以叶轮轮盖侧为基准平面, 沿叶轮叶片出口轴向宽度分别以Z =15mm 距离为测量平面。图2离心风机试验装置212PI V 系统试验所用PI V 激光器为脉冲式双Nd Y ag 激光器, 光源为脉冲式Nd Y AG 激光器, 工作频率为10H z , 可见光波长为532nm , 每个脉冲能量为200m J , 脉冲宽度为9ns 。PI V 系统中采用的激光器是将两台Nd Y ag 激光器及光路调整系统封装成一体的激光器, 采用内循环冷却系统。由外同步装置来分别触发两激光器; 所产生的两束激光脉冲, 通过其内部

8、的光路系统合并到一处。两台Nd Y ag 激光器脉冲间隔的节可调整范围很大, 从200ns 到100ms , 可以满足从低速到高速流动的测量需要。试验中所使用的是Nikon 280s 式互相关CC D 摄象机,CC D 采集速率为30帧 /秒, 每两帧图像之s 。受激光器的工作间的最小时间间隔约为015频率(10H z 的限制, 系统的最大图像采集率为20帧/秒。由于互相关需要两帧图像来进行图像分析, 这样系统最大采样率为10个速度场/秒。试验中采用同步器使激光器系统与CC D 相匹配。在同步器上可以设置激光的工作方式(双脉冲式 、CC D 的工作方式、脉冲的延迟时间和双脉冲的时间间隔等。系统

9、工作时,CC D 的帧同步信号是主同步信号, 同步器通过捕捉CC D 的脉冲信号, 然后根据所设定的脉冲延迟时间和间隔时间来控制激光器发光。试验中采用一个由球在镜和柱面镜组成的光学组件, 将激光变为所需的片光, 并通过光臂引导蜗壳的顶部窗口, 照亮CC D 的采集区域。片光源的厚度小于110mm 。在试验中要仔细调整。PI V 系统的控制和分析软件为TSI 公司随 PI V 配套的InsightNT 数据采集及处理软件, 其工作平台为WindowsNT 。该软件具备连续捕获1000帧的高分辩率(1K ×1K 图象的能力; 支持60M/s 或90M/s 的图象传输速率; 具有批处理功能

10、, 可以实现对不同的图象在相同的位置进行速度分析; 具有实时采集图象显示和分析能力。在应用PI V 等激光系统进行流动测量时, 需要示踪粒子作为光散射体, 示踪粒子产生与释放是获得理想的测量结果的保证。选择示踪粒子时要考虑以下两个因素:(1 示踪粒子对气流应有良好的跟随性; (2 示踪粒子应有较强的散射能力, 即示踪粒两个因素:(1 叶轮流场中速度。脉冲一和脉冲二在每一个查询区交叉相关, 间隔不应太大, 以免粒子在该间隔内从一个查询区移动到另一个查询区; 该间隔也不应太短, 否则不能测试到任何粒子的运动; (2 叶轮的位置。在两个脉冲的间隔内, 叶轮会旋转到其它位置, 两幅图所纪录的是叶轮在不

11、同位置使得流场, 所以该间隔应尽可能小, 以减小由两个不同流场引发的交叉相关错误。试验中蜗壳的外壁和叶轮轮盖平行, CC D 相机被放置在离心风机的前面, 垂直于机壳的外壁。光学玻璃窗口和CC D , 。试验3转速为1200r/通过对试验数据的进一步处理, 可以获得叶轮内部非定常流动相对速度矢量分布。3旋转离心叶轮非定常流动试验结果与分析子所产生的信号应有高的信噪比。Lourenco (1。研究结果表明, 较大的粒子在强加速流动中存在明显的滞后, 为了较好地跟踪高速流动, 示踪粒子的直径应在015L 型示踪粒m 左右。在具体应用中, 采用LZ 子发生器, 选用丙三醇作示踪粒子, 在入口处随主气

12、流一起送入叶轮。选择激光两个脉冲间的时间间隔主要考虑了应用PI V 激光测速技术测量旋转离心叶轮内部跨轮盖盘流道中心面Z =15mm 流面上的非定常流场。不同时刻, 叶轮内部非定常流动相对速度矢量分布如图3所示 。图3跨盘盖中心流面相对速度矢量图 从图3可看出, 从叶轮进口到叶轮出口, 在不同时刻, 叶轮出口处叶片的吸力面和轮盖的夹角区都存在一个明显的低速区, 即尾流区, 这个尾流区约占叶轮出口宽度的20%30%。尾流区的形成和发展受多种因素影响, 由离心叶轮叶片压力面流向吸力面的二次流的迁移作用和叶轮出口的排除效应是所有影响因素中的两个主要因素。从叶轮的进口到出口, 靠近叶片吸力面的相对速度

13、大, 靠近叶片压力面侧的相对速度小, 这与K rain 在1987年对一具有30°叶片出口角的后弯式离心叶轮测试结果是一致的2。同时在叶轮出口呈现出典型的射流/尾迹流动结构。射流区约占70%80%, 而且随时间的变化, 射流/尾迹区所占的区域比例基本不变。没有明显的界限。低速区, 变化。之间的二次流引起的。叶轮进口流动是不稳定的, 特别是在叶片流道的压力面附近。不稳定性的基本特征表现在, 流速的大小和方向在两种状态之间脉动。叶轮上游微小的不稳定性在叶轮进口进一步发展, 不稳定流动在靠近盖侧的流面上, 靠近压力面, 且约占叶片流道的二分之一。在叶轮出口段, 这种不稳定性更明显。由于测量

14、平面在叶轮流道中央, 叶轮流道内相对速度分布流动比较均匀, 变化平缓。在叶轮出口处, 射流区和尾迹区分别约占50%。试验结果表明, 由于紊流的混合, 射流和尾流间的界限并不明显。但是在Dean 2Senoo 的射流尾迹模型中3, 则认为在射流区某一半径处流动速度和方向是不变的。在尾迹区, 这些量也是不变的, 但其大小与射流不同, 结果在射流区和尾流区间的分界线上有一不连续的速度变化, 尾流宽度和射流宽度之比则随半径的变化而变化。通过本(上接第35页文试验, 证实了在Dean 2Senoo 的射流尾迹模型基本正确, 但在叶轮出口存在射流/尾迹结构, 射流/尾迹的大小与范围随时间波动, 而且在跨盘

15、盖间, 射流/尾迹的大小与范围是不同的。4结论(1 应用PI V 技术成功测量了二维旋转离心叶轮内部的非定常流动。(2 在叶轮出口处, 叶片的吸力面与轮盖的夹角区存在一个低速区, /尾迹结构。, , /, 射流/尾迹的, 射流/。实际上由于紊流的混合, 射流和尾迹之间的界限并不能明显确定。射流/尾迹结构的形成和发展受多种因素的影响, 但是由离心叶轮叶片压力面流向吸力面的二次流的迁移作用和叶轮出口的排除效应是所有影响因素中的两个主要的因素。参考文献:1Lourenco I ,Whiffen M C. Laser speckle methods in fluiddynamics applicati

16、ons 1Laser Anem ometry J1Fluid Me 2chanics ,198615126812K rain H. Interdependence of centrifugal compress ors bladegeometry and relative flow fieldA130th international G as Turbin C on ference and ExhibitC1H ouston T exas 872G T 21913Dean R C. On the necessity of unsteady flow in fluid ma 2chinesJ.AS ME Journal of Basic Engineering ,1959,31作者简介:闻苏平(19612 , 男, 博士, 系主任, 主要从事流体机械的理论和实验研究, 通讯地址:710049陕西西安市西安交通大学能动学院流体机械研究所。充分利用Pro/E 的其他功能模块进行设计,如自动生成二维工程图, 以适