CN102798511A - 水力机械内部流场精细化测试试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力机械流场精细化测试试验装置。它包括尾水罐、水泵组、电磁流量计、系统阻尼调节阀、系统阻尼精细调节阀、稳流法兰栅、锥管、透明模型装置、测功机、伸缩节、PIV测试装置等。尾水罐与水泵组、电磁流量计、系统阻尼调节阀、系统阻尼精细调节阀、稳流法兰栅、锥管、透明模型装置、伸缩节依次连接，透明模型装置设于透明水槽内，测功机置于透明模型装置上方，并转轴连接，伸缩节与尾水罐连接，在透明模型装置的对应处设有PIV测试装置，研究水力机械内部复杂涡流及空化两相流动的统计特性、结构特性及其发生机理，进行水力机械性能的判断和预测。

Description

水力机械内部流场精细化测试试验装置

技术领域：本发明涉及水力机械内部流场精细化测试试验装置。

背景技术：实验测试技术对于流体动力学的发展一直都起着至关重要的作用，所有新的物理现象、绝大多数流体动力学理论及其数学模型都是首先通过实验测量而获得的。例如，高雷诺数惯性湍流流态的判定、极低雷诺数弹性湍流现象的发现、边界层理论的建立、边界层动量积分方程的推导无不是在实验的基础上来完成的。计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)技术的发展同样离不开实验的支持。雷诺平均方法(Reynolds Averaged Method，简称RANS)中所用的各种湍流模型都是基于流动某一方面特性而建立起来的。对于水力机械性能及优化设计研究中所用的CFD技术(包括所选的湍流模型及算法等)，同样在工程应用之前必须先通过实验数据的验证。而且，事实是一般的CFD计算都不能在各个侧面与实验数据(或现象)完全吻合，只能根据需要来取折中、满足工程上的精度要求。

迄今为止，水力机械特性的测试方法主要是对压力、流量、转速、转矩等外特性的测量，对水力机械内特性的研究只能采用定性的方法，而无法进行定量研究，例如对叶道涡初生和发展的判定，卡门涡的判定，叶片背面空化现象的判定，尾水管内空化程度的判定等，只能依靠观测人员的肉眼观察，甚至在观测时还需要在流场内部放置探头(例如使用内窥镜时)，从而对流场产生干扰，影响内部流场的真实性。

发明内容：本发明的目的是提供一种对水力机械内部复杂湍流场的计算更加精确，高效、可靠的水力机械内部流场精细化测试试验装置。本发明的技术方案为：一种水力机械内部流场精细化测试试验装置，整体结构为闭式循环管路，包括尾水罐、水泵组、电磁流量计、系统阻尼调节阀、系统阻尼精细调节阀、稳流法兰栅、锥管、透明水槽、透明模型装置、伸缩节、粒子图像测速装置，尾水罐与水泵组、电磁流量计、系统阻尼调节阀、系统阻尼精细调节阀、稳流法兰栅、锥管、透明模型装置依次连通，透明模型装置设于透明水槽内，测功机置于透明模型装置上方且与透明模型装置连通，透明模型装置与尾水罐连接，在透明模型装置的待测处设有粒子图像测速装置。

本发明公开的水力机械内部流场精细化测试试验装置为全封闭系统，且可双向流动。当来流方向为高压侧流向低压侧时(图1中箭头所示方向，即正向流动)，可对制造成透明的混流式水轮机、轴流式水轮机、贯流式水轮机等进行研究。当来流方向为低压侧流向高压侧时(图1中箭头所示方向的相反方向，即反向流动)，可对制造成透明的水泵进行研究。当然，本装置对即要求正向流动同时又要求反向流动的水泵水轮机进行全特性研究是再适合不过的。尾水罐上方分别与抽真空、高压气源连接，用来调节尾水压力，从而保证本装置可以在不同的空化系数下对水力机械性能进行研究，也可以作为研究空化现象发生机理的平台。水泵组可实现无极调速，与测功机、阻尼调节阀共同完成对系统水头和流量的调节，使受测水力机械在预期的工况点运行。本发明用于水力机械内部流场精细化测试的试验装置，整体结构为闭式循环水路，通过水泵组将尾水罐中的溶液泵入管路中，再经系统阻尼调节阀和系统阻尼精细调节阀调节流量后进入稳流法兰栅，稳定的溶液流经透明模型装置进行整流，最后返回尾水罐；尾水罐与抽真空和高压气源装置连接，用以调节系统真空度。设置的电磁流量计用于测试装置流量；系统阻尼调节阀起到调节管路阻尼的作用，系统阻尼精细调节阀起到微调管路阻尼的作用；正向流动时，测功机起到发电机的作用，反向流动时，测功机起到原动机的作用，目的是调节水力机械转速，同时与水泵组、系统阻尼调节阀、系统阻尼精细调节阀共同调节系统水头和流量；同样由有机玻璃制作的透明水槽内充满化学试剂调制成与有机玻璃折射率相同的溶液，进行模型装置的折射率匹配，使用粒子图像测速装置机型透明模型装置内部流场的测试。例如，对叶栅进行测试，研究流固耦合现象；测试转轮入口和内部，研究动静干涉和叶道涡初生及发展现象；测试尾水管锥管，研究涡带的形状及能量特性；测试扩散段，研究消能特性，同样可以对尾水管支墩的形状和位置进行优化设计等方面进行研究；在水路中均匀散播跟随性、反光性良好的且比重与流体相当的示踪粒子，调整阀门开度，进而改变工况，用CCD相机对流动状态进行拍摄记录；使用软件Insight 3G对获取的图像进行后处理，得到模型装置流场的二维速度分布。

本发明采用透明有机玻璃制造模型装置，并搭建一套性能预测试验装置，应用PIV对透明模型装置内部复杂湍流场进行精细化测试，研究水力机械内部复杂涡流及空化两相流动的统计特性、结构特性及其发生机理，进行水力机械性能的判断和预测，解决现在水力机械设计和改进缺乏理论依据的问题，弥补经验设计方法的不足。同时有助于CFD技术的发展，使其对水力机械内部复杂湍流场的计算更加精确，成为水力机械优化设计的高效、可靠工具。

图1本发明的整体结构示意图

图2本发明透明模型装置剖视图

具体实施方式

如图1所示，一种水力机械内部流场精细化测试试验装置，整体结构为闭式循环管路，包括尾水罐1、水泵组2、电磁流量计3、系统阻尼调节阀4、系统阻尼精细调节阀5、稳流法兰栅6、锥管7、透明水槽8、透明模型装置9、伸缩节10、粒子图像测速装置11，尾水罐1与水泵组2、电磁流量计3、系统阻尼调节阀4、系统阻尼精细调节阀5、稳流法兰栅6、锥管7、透明模型装置9依次连通，透明模型装置9设于透明水槽8内，如图2所示，测功机12置于透明模型装置9上方且与透明模型装置9连通，透明模型装置9与尾水罐1连接，在透明模型装置9的待测处设有粒子图像测速装置11。

本发明公开的水力机械内部流场精细化测试试验装置为全封闭系统，且可双向流动。正向流动时，可对制造成透明的混流式水轮机、轴流式水轮机、贯流式水轮机等进行研究。反向流动时，可对制造成透明的水泵进行研究。当然，本装置对即要求正向流动同时又要求反向流动的水泵水轮机进行全特性研究是再适合不过的。尾水罐上方分别与抽真空、高压气源连接，用来调节尾水压力，从而保证本装置可以在不同的空化系数下对水力机械性能进行研究，也可以作为研究空化现象发生机理的平台。水泵组可实现无极调速，与测功机、阻尼调节阀共同完成对系统水头和流量的调节，使受测水力机械在预期的工况点运行。

选取化学试剂添加到水溶液中，作为可调折射率流动工质，利用折射率仪精确测量出与有机玻璃相匹配的工作介质折射率，确定溶液配比。

透明水槽8由有机玻璃板粘接制成，选用无挥发性或者少挥发性的胶水，避免结合面产生气泡。

所述的透明模型装置9由有机玻璃加工制成，各部件之间以及圆管与法兰的连接方式采用粘接，选用无挥发性或者少挥发性的胶水，避免结合面产生气泡。

Claims (1)

1.一种水力机械内部流场精细化测试试验装置，其特征是：整体结构为闭式循环管路，包括尾水罐(1)、水泵组(2)、电磁流量计(3)、系统阻尼调节阀(4)、系统阻尼精细调节阀(5)、稳流法兰栅(6)、锥管(7)、透明水槽(8)、透明模型装置(9)、伸缩节(10)、粒子图像测速装置(11)，尾水罐(1)与水泵组(2)、电磁流量计(3)、系统阻尼调节阀(4)、系统阻尼精细调节阀(5)、稳流法兰栅(6)、锥管(7)、透明模型装置(9)依次连通，透明模型装置(9)设于透明水槽(8)内，测功机(12)置于透明模型装置(9)上方且与透明模型装置(9)连通，透明模型装置(9)与尾水罐(1)连接，在透明模型装置(9)的待测处设有粒子图像测速装置(11)。

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