无叶扩压器流动piv试验研究

无叶扩压器流动piv试验研究

一、流场试验研究无叶扩压器具有结构简单、加工方便、成本低、性能曲线简单、稳定性强、施工周期长等特点。在实际设计中，它被广泛应用于内部流程的研究中。1960年Dean&Senoo发现了叶轮后的射流/尾流结构,之后Jensen、Senno和H.Krain等在叶轮后的无叶扩压器内测得了无叶扩压器内非均匀的流动现象。其它文献对无叶扩压器内的流动结构和尾流的衰减过程进行了试验研究。近年来,我国在无叶扩压器内部流动的试验研究方面也做了大量的工作,并取得了一些令人鼓舞的结果。但是,以往的试验研究受条件的限制多数是在单点测量技术下进行的。本文采用可以获得瞬时速度场的PIV技术,对无叶扩压器内的流动进行了试验研究,测量了不同流量工况下无叶扩压器的内部流场,并对测量结果进行了分析和讨论。二、测试安装1.无叶扩压器几何结构形式试验研究是在文献中构建的多功能离心风机试验台上进行的,采用了叶轮与无叶扩压器的相配合的几何结构形式。无叶扩压器为平行直壁无叶扩压器。无叶扩压器的宽度与叶轮出口宽度相同。2.piv系统和cd机机系统的建立使用的PIV系统是丹麦Dantec公司的产品。笔者在文献中对PIV系统测量的实现进行了精心的调试,实现了扩压器内部流场的PIV瞬态测量的PIV系统的设置与文献相同。片光源与CCD相机的布置如图1所示。CCD相机的底片大小为1018×1008像素,查询区大小为32×32像素,查询区重叠率为25%;双曝光时间间隔为50μs,工作时间间隔为300ms。加入流场中的示踪粒子为超生波加湿器产生的水雾,粒径范围为1～5μm。图2中的虚线框为本文的实际测量区域,其大小约为150×150mm,包含了无叶扩压器的一个周期区域。三、无叶扩压器内部流场piv测量在叶轮800r/min转速下,分别对Q=0.146kg/s,0.192kg/s,0.24kg/s3种流量运行工况下无叶扩压器内部的瞬态流场进行了PIV试验测量,为了便于表述,以下将称这3种工况为小流量工况、中流量工况和大流量工况。对于每一种流量工况,在3个不同轴向位置处的r-θ面上布置了测量面,分别距离前盘5mm、距离前盘17.5mm和距离后盘5mm,以下将称这3个位置为近前盘、中间位置和近后盘。1.流场数据处理通过PIV测量技术获得的第一手试验数据是无叶扩压器内的瞬态速度矢量场分布,这些数据包含了无叶扩压器内部流动的各种信息,但难以直接归纳和分析。叶轮机械内部流动的流动特性主要是由叶轮旋转引起的,为此,需要把试验测得的流场信息包含的与转子相互无关和有关的两部分区分出来。采用整体平均法,对试验数据进行了归纳,整体平均处理力图从实测流场中消除叶轮相位和非定常的影响,显示流场的空间三维性质,所以也可称为定常流动假设下的平均处理。关于无叶扩压器内部流场的非定常特性部分,笔者将在以后的工作再撰文加以分析。整体平均法如下所述:在无叶扩压器流域中划分出周期条件的Δθ子域,取出叶轮某一叶片经过Δθ过程中N个均分周向相位时的扩压器流场实测数据按式(1)进行平均:C¯¯¯(x,y,z)=1N∑i=1NC(x,y,z,θi)(1)C¯(x,y,z)=1Ν∑i=1ΝC(x,y,z,θi)(1)其中θi表示叶轮处于不同的相位角。2.扩压器入口流场分布对小流量工况下无叶扩压器内部流动的瞬时测量结果进行整体平均处理后,获得了一组不同r-θ平面上的平均流场速度矢量分布如图3所示。比较这3幅速度矢量图可以发现,3个轴向位置处的流动明显不同。相比之下,近前盘侧的流动状况良好,径向方向的流动较为明显,沿轴线向后盘方向推移,流动状况呈逐渐恶劣趋势,及至到近后盘侧速度矢量分布近乎平行于扩压器圆周的切线方向,表明叶轮的出口流场在轴线方向上不均匀。由图3可见,无叶扩压器入口流场在轴线方向上不均匀,呈现前盘侧速度高、后盘侧速度低的分布规律,尤其是靠近后盘侧径向速度分量很小,有形成回流的趋势。由于扩压器入口气流决定于叶轮出口气流,说明小流量工况下,叶轮出口气流在轴线方向上也是轮盖侧径向速度高于轮盘侧径向速度,而且轮盘侧附近的流动状况较为恶劣。随着扩压器半径的增加,扩压器后盘侧附近低速区内的速度进一步降低,逐渐在后盘侧附近形成了一个流动滞止区,近后盘侧流动滞止区的形成造成了前盘侧速度的增加,加大了前盘侧与后盘侧径向速度之间的差异。在扩压器流道中部以后,近后盘侧局部恶化的流动得到了抑制,流动滞上没有发展成为流动分离,在前盘侧高速流动的带动下,后盘侧径向速度逐渐回升,前盘侧径向速度逐渐下降,径向速度沿扩压器宽度方向趋于均匀,及至扩压器出口径向速度沿扩压器宽度已呈现基本均匀化。3.扩压器半径的影响图4示出了中流量工况下无叶扩压器内一组不同r-θ平面上的平均流场速度矢量分布。中流量工况具有与小流量工况相类似的周向近乎均匀和轴向存在差异的分布规律,但也略有不同。扩压器入口流场没有呈现明显的前盘至后盘径向速度逐渐降低的分布规律,虽然前盘侧速度仍然较高,但从扩压器宽度中间位置至近后盘位置径向速度基本保持一致,后盘侧附近没有明显的低速区存在,说明中流量工况下叶轮出口气流轮盘侧流动状况比小流量工况好。随着扩压器半径的增加,中间位置和近后盘处的径向速度Cr逐渐减小,在扩压器后盘附近虽然没有象小流量工况那样形成滞止区,但形成了一个范围较大的低速区。由于低速区的存在造成近前盘侧的径向速度随着扩压器半径的增加而略有升高。后盘附近的低速区在扩压器流道的小后半部分区域开始呈现消退的趋势,前盘侧径向速度降低,后盘侧速度升高,径向速度沿轴向宽度的差异减小,只是由于没有充分的流道空间,直至扩压器出口附近,径向速度沿扩压器宽度也没有能够均匀化。4.径向速度沿轴向宽度分布规律图5示出了大流量工况下无叶扩压器内一组不同r-θ平面上的平均流场速度矢量分布。大流量工况具有与前两种流量工况相类似的周向近乎均匀和轴向存在差异的分布规律,但扩压器入口流场与小、中流量工况完全不同,径向速度沿轴向宽度呈现出中间速度高、两边速度低的分布规律,而且它们之间的差异也不是很大,没有低速区存在,说明大流量工况下叶轮出口的流场较为平缓。随着扩压器半径的增加,近前盘、中间位置和近后盘处的径向速度Cr均逐渐降低,降低的程度也比较均匀,没有低速区形成,而且随着流动的发展,径向速度沿轴向宽度的分布也逐渐趋向均匀。当流动到达扩压器的出口区域时,径向速度沿轴向宽度的分布已经均匀化。总体来说大流量工况下无叶扩压器内的流体流动状况较好。5.不同流量工况下径向速度分布鉴于上述对小、中、大流量工况的分析表明,在定常假设下,无论流量大小径向速度的时均值都可以近似认为沿圆周方向是均匀的,将不同轴向位置处相同半径的径向速度沿圆周方向平均,不同流量工况下无叶扩压器内部流动的径向速度Cr在不同半径、不同扩压器宽度处的分布曲线由图6(a)～图6(e)给出,从图6中可以更容易地看出3种流量工况下径向速度在无叶扩压器不同轴向位置r-θ面上的发展过程。比较不同流量工况下径向速度分布曲线可以发现,无叶扩压器入口处的速度沿宽度方向的不均匀性随流量的增大而减弱,表明流量的增大有利于无叶扩压器内流体流动条件的改善,不仅如此,流量的增加还进一步改善了无叶扩压器内部的流动状况。从图6中还可以发现,流量的改变对不同半径处前盘侧流体的径向速度分布规律没有多大影响,流量的改变主要是影响了后盘侧流体径向速度沿半径方向的分布规律。四、无叶扩压器内部流动特性利用PIV测量技术对不同流量工况下无叶扩压器的内部流场进行了瞬态测量,通过对试验数据的整体平均处理,获得了定常流动假设下无叶扩压器内部的速度矢量分布场