有叶扩压器内部流场的piv实验研究

有叶扩压器内部流场的piv实验研究

1场周期性的流场测量在带有叶片扩压器的离心叶片机械上，叶片叶片与叶片扩压器之间干扰，叶片和叶片扩压器之间直接形成周期性周向相对运动。叶片出口流的周期性流于叶片扩压器，叶片扩压器的复杂非定常流动。针对有叶扩压器内部流动的研究较少,而且实验研究也多是单点测量技术下的定常流动测量。作者曾对有叶扩压器的内部流场进行测量研究,结果发现有叶扩压器的无叶区和有叶区的前半部是不均匀流掺混最为活跃的区域。因此,本文将研究重点放在有叶扩压器的入口区域,采用可以获得瞬时速度场的PIV技术,对有叶扩压器入口区域的非定常流动进行了测量,并对测量结果进行了分析和讨论。2实验设备2.1有叶扩压器几何结构形式实验在某多功能离心风机实验台上进行,采用叶轮与有叶扩压器相配合的几何结构形式。有叶扩压器为平行直壁有叶扩压器。有叶扩压器的宽度与叶轮出口宽度相同,其叶片为二元叶片,数目与叶轮叶片的数目相同。2.2cd摄像机底片大小和查询区位置使用的PIV系统由丹麦Dantec公司生产(系统的设置可参见文献)。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声波加湿器产生的水雾,粒径范围为1～5μm。2.3叶片入射角度研究的重点为有叶扩压器的入口区域。实验中将CCD相机的镜头对准图1虚线矩形框所示的测量区域,图1所示的测量区域大小约为100×100mm,CCD相机采用1018×1008像素的分辨率,查询区大小为32×32,重叠率为25%,速度矢量间的距离约为2.4mm。由于有叶扩压器部件在其内部周向均匀分布着叶片,而叶片的存在增加了考虑调整片光源入射角度的因素。为了保证片光源在测量区域能够具有足够的光强,片光源的入射角度应尽量避免穿过扩压器叶片非直接到达测量区域。为此,片光源的照射角度调整为平行于测量区内叶片的切线(见图1),以最大限度地减少片光源非直接到达测量区域的程度。3piv的测量在叶轮800r/min转速下,对Q=0.149kg/s流量运行工况下有叶扩压器入口区域的瞬态流场进行了PIV实验测量。在三个不同轴向位置处布置了测量面,分别为:距离前盘5mm、距离前盘17.5mm和距离后盘5mm(下文这三个位置分别为近前盘、中间位置和近后盘)。3.1实验数据分析通过PIV测量技术获得的第一手实验数据是有叶扩压器内的瞬态速度矢量场分布,这些数据包含了有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非定常性主要是由叶轮旋转引起的,为了认识非定常的影响,需要把实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,为此作者采用了锁相平均法对实验数据进行了归纳。取叶轮始终在某一固定周向相位时的M次扩压器实测数据按式(1)进行平均:C¯¯¯(x,y,z,θ0)=1M∑j=1MC(x,y,z,θ0)jC¯(x,y,z,θ0)=1Μ∑j=1ΜC(x,y,z,θ0)j(1)式中θ0——叶轮叶片相对于有叶扩压器所处的某一相位角j——叶轮叶片处于同一相位角时的多次测量锁相平均是用定格方式观察叶轮机械内部流场因转子旋转产生的周期性非定常特征,可见锁相平均流场是反映叶轮机械非定常流动的重要样本,式(1)中取M次实测数据平均是为了消除随机误差。本文中采用锁相平均法对实验数据加以处理,以分析有叶扩压器内部的周期性非定常流动特性。3.2扩压器入口区域流动的非定常特性三个不同轴向位置处测量获得的叶轮位于不同相对位置时有叶扩压器入口区域的速度场如图2～4所示。如图,在有叶扩压器入口测量区域内,除了叶片延长线区域由于光强较弱的缘故没有获得有效的速度矢量外,大部分区域均获得了良好的测量结果。图2所示的速度矢量图清晰地展示了有叶扩压器入口区域近前盘侧的非定常速度场,无叶区和有叶区入口区域内流动的非定常特性较为明显,扩压器前缘始终有一不甚很明显的流动低速区,在测量区域的上边界,即叶片流道的前半部分处流动已表现的比较均匀。本文在有叶扩压器中间位置和近后盘侧另外两个轴向位置处的测量结果(见图3,4)表明,中间位置和近后盘侧的流动的非定常特性与近前盘侧的相类似,都表现为流动非定常性在有叶入口区域之前显著并逐渐衰减,在有叶入口区域之后逐渐消失的特点;测量结果还表明叶轮的旋转对中间位置和近后盘侧叶片前缘流动的影响也不大,无论叶轮旋转到何处,都没有改善中间位置尤其是近后盘侧的流动恶化,这一点在近后盘侧表现的最为明显,这可能是由于扩压器叶片距离叶轮较远的缘故。比较三个不同轴向位置处流动非定常性的差别,可以发现不均匀流动的掺混在前盘侧持续的区域较小,沿轴线向后盘推移,不均匀流动掺混持续的区域稍有增大。4非定常流场测量利用PIV测量技术,对周期性不均匀流掺混最为活跃的有叶扩压器