離心泵流道中固體顆粒速度場的粒子成像測速(PIV)分析與研究

1、第14卷第3期1998年9月農(nóng)業(yè)工程學報T ransacti ons of the CSA E V o l .14N o.3Sep t .1998收稿日期:19982032233清華大學科學研究基金資助課題(XJ 95216許洪元,副教授,北京市海淀區(qū)清華園清華大學水利水電工程系,100084離心泵流道中固體顆粒速度場的粒子成像測速(P I V 分析與研究3許洪元盧達熔焦傳國羅先武(清華大學摘要粒子成像測速(P I V 技術(shù)是隨高速攝影技術(shù)和計算機圖像處理技術(shù)發(fā)展起來的一種速度量測技術(shù)。該文將P I V 技術(shù)應(yīng)用于離心泵流道中固粒速度場的研究。開發(fā)了一套W indow s 界面的速度分析軟件,

2、分析了具有不同物理特性的橡皮泥、核桃殼和砂子等固體顆粒在流道中的運動。研究表明固粒的密度影響其在葉輪中的相對運動軌跡,固粒的粒徑和形狀則主要影響其運動速度大小;揭示了開式葉輪比閉式葉輪效率低、磨損快的原因是固粒受到水流泄漏的影響,其相對速度比在閉式葉輪中的大。研究結(jié)果有助于解釋離心泵內(nèi)磨粒磨損現(xiàn)象。關(guān)鍵詞離心泵P I V 固體顆粒速度分布離心泵流道中的固體顆粒和液體的運動特性與泵零件的磨損及運行性能密切相關(guān)。通過顆粒運動特性的分析可以為提高離心式渣漿泵的使用壽命和性能開辟有效的途徑。以往用于旋轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)流動測量的方法主要是機械測試方法,現(xiàn)在越來越多的研究者采用先進的光學方法或其它物理方法。光學方

3、法對流動沒有影響,適應(yīng)范圍較廣。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展,光學方法與計算機的密切配合,使其成為更完整的現(xiàn)代化測試方法。利用光學方法測試離心泵內(nèi)部流動包括激光測試技術(shù)及攝影記錄方法等。本文采用的P I V (Particle I m age D isp lacem en t V elocity ,粒子成像測速技術(shù)屬于攝影記錄方法的一種。P I V 技術(shù)是隨高速攝影技術(shù)和計算機圖像處理技術(shù)的發(fā)展,于80年代中興起的一門嶄新的速度量測技術(shù)1。而P I V 技術(shù)雖已應(yīng)用于泵內(nèi)流場的研究中2,但剛剛起步。本文著重介紹離心泵流道中固體顆粒速度場的P I V 分析結(jié)果。1圖像分析簡介首先用高速攝影方法拍攝離

4、心泵流道中顆粒運動。試驗臺系統(tǒng)參考文獻3。試驗裝置中的離心泵葉輪為半開式,進口直徑為130mm ,出口直徑為330mm 。泵蓋采用光潔透明的有機玻璃。葉輪轉(zhuǎn)速范圍7501460r m in 。試驗所采用的顆粒有橡皮泥、黃豆、砂子和核桃殼等密度、形狀和硬度等物理特性不同的顆粒。高速攝影機置于泵的正前方。拍攝頻率根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)速調(diào)整,本試驗采用的拍攝頻率為每秒15003000幅圖片。轉(zhuǎn)載流速測定原理是利用計算機找出相鄰圖片上的同一顆粒,用以確定其位移。顆粒的運動時間就是相鄰圖片的取樣時間。這樣就可以確定顆粒的速度。如果旋轉(zhuǎn)葉片使同一葉片相對軸心角度一致,則可計算出相對速度。如果使泵體角度一致,則可分析

5、出顆粒的絕對速度。本文采用人工判斷顆粒的方法進行試驗圖片的分析和處理,我們?yōu)榇碎_發(fā)了一套W indow s 界面格式的分析軟件。該軟件提供了豐富友好的人機界面,在有關(guān)文章中已作過介紹4。圖像窗口是滾動窗,可以處理大小圖片,最后輸出結(jié)果包括數(shù)據(jù)文件、絕對速度和相對速度矢量分布圖。還可以用鼠標動態(tài)查詢各個顆粒點速度。這套軟件的程序移植性和擴充性都很好,只需稍加修改,即可以擴充其功能。例如,只需增加一個函數(shù)模塊,如果對連續(xù)運動圖片進行旋轉(zhuǎn),使同一葉片相對軸心的傾斜角度一致,則可借助這套軟件確定各個顆粒的位置,從而分析不同特征顆粒的運動軌跡。2顆粒運動特性分析以幾幅P I V 技術(shù)處理的實際圖片(圖1

6、3為例,討論固粒在離心泵流道中的運動特性。每幅圖包含絕對速度和相對速度矢量分布兩部分。圖中主要選取有代表性位置處的速度矢量反映顆粒的絕對速度和相對速度的大小及方向,其中相對速度矢量長度放大到1.5倍,以便于查看 。圖1不同粒徑橡皮泥球在葉輪中的運動F ig .1T he mo ti on of rubber balls w ith differentparticle diam eters in the i m peller 圖2核桃殼在離心泵葉輪中的運動F ig .2T he mo ti on of w alnut shell 2fracti ons in the i m pellera .細

7、砂b .粗砂圖3砂在離心泵葉輪中的運動F ig .3T he mo ti on of sand in the i m peller2.1三種不同物理特性固體顆粒的運動特性比較表1是三種不同物理特性固粒在泵流道中的運動特性比較?？梢钥闯雒芏扰c水接近的橡皮泥和核桃殼的運動規(guī)律與水流大體一致。密度較大的細砂易在葉輪出口處與葉片產(chǎn)生311第3期許洪元等:離心泵流道中固體顆粒速度場的粒子成像測速(P I V 分析與研究摩擦。粗砂與葉片進口碰撞幾率大,在蝸室中易集中于壁面運動。表1不同物理特性固體顆粒的運動特性比較T ab.1Comparison of the mo ti on of particles

8、w ith different physical p roperties 固體顆粒類型及試驗條件運動特性簡要分析橡皮泥球(s=1.26g c m3運行參數(shù):n=750r m inQ=50m3 hf=2000H z 小球半徑d s=2mm大球半徑d s=6mm見圖1。細點粒徑2mm、粗點粒徑6mm,兩者運動規(guī)律基本一致。在進口和出口附近,顆粒相對速度方向總體趨勢與葉片曲線方向基本一致。在蝸殼中,顆粒流動方向接近于圓周的切線方向。表明密度較小的顆粒與水流的跟隨性較好。這與文獻5中對橡皮泥球所做的軌跡試驗的結(jié)果相符。核桃殼(s=0.94g c m3運行參數(shù):n=750r m inQ=70m3 hf=

9、2000H z d s=35mm(固粒呈片狀,粒徑指最大尺寸方向的尺寸見圖2。在葉片間流道中,顆粒的運動方向與葉片曲線方向基本一致;顆粒離開葉輪后,在蝸室中的分布不均勻,集中于蝸殼壁。當殼壁處的核桃殼積聚到一定程度,就會改變蝸室中的流動狀態(tài),部分顆粒又被重新卷回蝸室流道中間。代表了密度較小的不規(guī)則顆粒在流道中的運動規(guī)律。由于核桃殼質(zhì)量輕,呈片狀,導致顆粒隨葉輪旋轉(zhuǎn)并且向蝸殼壁運動的同時,存在著自身的旋轉(zhuǎn)運動,促其移向渦殼壁。砂子(s=2.65g c m3運行參數(shù):n=750r m inQ=74m3 hf=1500H z d s=12mm見圖3a。固粒進入葉片間流道時,其運動方向由軸向轉(zhuǎn)為徑向,

10、由于慣性作用,顆粒大多移向后蓋板。在葉片間流道中,相對速度方向與葉片曲線方向較接近,出口角比較小。蝸室中顆粒的速度方向接近于圓周的切向。在隔舌附近,有一部分混合液流隨著葉輪旋轉(zhuǎn),重新流入蝸室。葉輪出口的混合液流的圓周速度分量比較大,使顆粒易于靠近葉片出口部分,將導致葉輪磨損加劇。同時由于出口徑向速度分量比較小,固粒進入蝸室后不會很快移向蝸殼壁,蝸室中的分布趨于均勻。d s=56mm見圖3b。固粒進入葉片間流道時,其運動方向由軸向轉(zhuǎn)為徑向時,由于慣性較大,顆粒移向后蓋板的運動趨勢比小顆粒更為明顯。徑向速度比較小,導致顆粒與葉片進口碰撞機率增大。顆粒離開葉輪后移向蝸殼壁,而葉輪外緣附近的顆粒相對較

11、少,部分顆粒與蝸殼壁碰撞后,離開蝸殼壁,分布于蝸室中。在隔舌處,有部分顆粒回流到蝸殼流道。顆粒與葉片碰撞后離開壓力面,但隨后在慣性作用下將又向工作面靠近;顆粒離開葉輪時,相對圓周速度分量比小顆粒的小,對葉片出口的作用相應(yīng)地減小。由于離心力較大,會使顆粒集中于蝸殼壁,顆粒越大,蝸殼壁磨損越快。2.2葉片與泵蓋之間間隙較大時顆粒在葉輪中的運動圖4反映了葉片與泵蓋之間間隙較大(=8mm時的細砂粒通過間隙流入下一個流道的情況。這時顆粒的相對速度比較大,而且在流道中尤其是出口區(qū)域的相對速度比葉片和泵411農(nóng)業(yè)工程學報1998年蓋之間的間隙較小時(1.5mm 要大得多,而在進口處相對速度反而比流道中部小。

12、這無疑會加快葉片尤其是出口區(qū)域葉片的磨損。圖5為顆粒在葉輪中的速度三角形,當顆粒在葉片和泵蓋之間間隙中運動時,盡管顆粒不在葉片間流道中,但受旋轉(zhuǎn)葉輪的影響,顆粒的絕對速度有一個與葉輪轉(zhuǎn)向相同的速度分量,且顆粒不是流向葉輪出口,而是流向葉輪的進口,說明間隙中有較大的泄漏,將有相當部分砂水混合物返流回葉輪進口。經(jīng)過一定時間的磨粒磨損,使靠近間隙處的葉片側(cè)緣變成弧形,泄漏將更為嚴重 。圖4間隙偏大時的半開式葉輪顆粒在葉輪中的運動(n =1000r m in f =1500H z Q =82m 3 h F ig .4T he mo ti on of particles in the half 2ope

13、n typei m peller w ith greater gap v 絕對速度v u v 在u 方向投影w 相對速度u 牽連速度圖5顆粒在葉輪中的速度三角形F ig .5T he velocity triangle of particles in the i m peller 3結(jié)論1P I V 技術(shù)可成功地運用于離心泵流道中的兩相流動分析;2密度與水接近的顆粒在葉輪流道中的運動規(guī)律與水流大體一致,粒徑和形狀對其流動規(guī)律的影響較小,主要影響其速度的大小;3密度較大的細顆粒在葉輪出口處會對葉片產(chǎn)生較大摩擦磨損。粗顆粒會集中于蝸室壁面運動;4開式葉輪由于葉片和泵蓋之間的流動受泄漏影響,其相對速

14、度比在閉式葉輪中大,流動角也小。不僅會增加水力損失,也會加強磨損破壞。參考文獻1A drian R I .M ulti 2po int op ticalm easurem ent of si m ultaneous vecto r in insteady flow 2a review .IntlJ of H eat &F luid F low .1986,7(2:1271452Dong R ,Chu S and Kate J .Q uantitative visualizati on of the flow w ith in the vo lute of a centrifugalpu

15、mp .J of F luids Engineering .1992,114(3:3904許洪元,焦傳國.兩相流研究中的P I V 實驗技術(shù)及圖像分析處理.水泵技術(shù),1997(3:3511第3期許洪元等:離心泵流道中固體顆粒速度場的粒子成像測速(P I V 分析與研究611農(nóng)業(yè)工程學報1998年P(guān)article I mage D isplacem en t Veloc ity(P IVandVeloc ity F ield of Sol id Particles i n Cen tr ifuga l Pu m pXu Hongyua nL u D a rongJ ia o C hua nguo

16、L uo X ia nw u(T sing hua U niversity,B eij ingAbstractT he P I V techn ique is a b rand2new techn ique of m easu ring velocity.It started in the1980s w ith the developm en t of h igh speed p ho tograp hy and the i m age p rocessing tech2 n ique of com p u ters.T h is paper deals w ith P I V app lie

17、d to the study of so lid particles veloc2 ity in the flow p assage of cen trifugal pum p s.A set of softw are w ith W indow s in terface w as develop ed to analyze the flow m o ti on of such so lid p articles as rubber balls,w alnu t shell2fracti on s and sand w ith differen t p hysical p roperties

18、in the flow passage.T he study show s that the den sity of so lid p articles has i m po rtan t effects on the relative trajecto ry of p articles,the shape and size of so lid p articles m ain ly affect the am oun t of particlesveloci2 ty.A s to half2open2type i m p ellers,the flow betw een b lades and the pum p cover being in2 fluenced by leakage,the relative velocity of p articles is greater than that in the clo sed2type ones.So the reason s w hy the efficiency of op en2type i m p ellers is low er than