CN104390762A - 用于流体机械流场精细化测量的实验装置 - Google Patents

Abstract

用于流体机械流场精细化测量的实验装置，它涉及一种流体实验装置。本发明为了解决现有测试系统中流体储存困难、组件更换复杂、及更重要的复杂流体机械扭曲流场测量困难的难题，专门设计了该精细化测量的综合实验装置。本发明的尾水罐(1)、水泵组(2)、流量监控装置、稳流法兰栅(6)、伸缩节(10)和待测量模型装置(9)顺次连接组成封闭的循环检测通路，示踪粒子添加机构(12)安装在水泵组(2)和流量监控装置之间，流体储存系统(8)与流量监控装置连接，流场精细化测试系统(11)设置在待测量模型装置(9)的侧面，测功机(14)同轴安装在待测量模型装置(9)上方。本发明用于流体实验。

Description

用于流体机械流场精细化测量的实验装置

技术领域

本发明涉及一种流体实验装置，具体涉及一种用于流体机械流场精细化测量的实验装置，属于水力机械内部流场精细化测量。

背景技术

实验测试对于流体机械及工程领域具有独一无二的指导意义和实用价值，而实验测量技术对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无一不是首先通过实验测量而获得的。

在流体力学领域，比如高雷诺数(Re)惯性湍流流态的判定、边界层理论的建立、边界层动量积分方程的推导和近年来极低Re下弹性湍流现象的发现，均是在实验的基础上完成的；计算流体动力学(CFD)技术的发展同样离不开实验的支持，比如工程中常用的雷诺平均数值模拟(RANS)方法中的各种湍流模型都是基于流动的某一方面特性而建立起来的；在流体机械领域备受关注的大涡模拟(LES)方法，其亚格子应力模型的建立，也需要精细实验的测量数据支持；更为重要的是，一般CFD计算的结果都不能在各个层面与实验数据(或现象)完全吻合，只能根据实际需求来取折中，以满足工程上的精度要求。

迄今为止，针对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极大多数采用定性的方法，而很难进行定量研究，例如对水轮机中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，测量人员只能借助图像记录的方式进行分析。更多时候，对流动的测量需要在流场内部放置探头，例如使用氢气泡发生导线、内窥镜等，这将流场产生干扰，而影响内部流场的真实性。

目前，对于流体机械内部流场的测量，只能针对结构简单的部件进行流动测量，而对具有空间扭曲叶片的旋转流场则无能为力。并且，测量中对于流动工质不具有折射率调节功能，内部旋转部件的流场在经过多层弯曲表面折射后，流场将发生变形，对测量带来极大的困难。另外，对流动工质进行折射率调节的试剂通常比较昂贵，在通常的开放式流体机械流场测量系统中，由于流体热物性改变，将造成试剂失效，引起极大的浪费。

发明内容

本发明的目的是为了解决克服现有测试技术在流体机械精细化测量中的不足，比如流体储存困难、组件更换复杂、及更重要的针对复杂流体机械中扭曲流场测量困难的问题，进而提供一种可用于流体机械、尤其是水力机械内部流动精细化测量封闭循环测量通路的装置，能够实现流量调节、稳流调节、空化程度调节、正反向调节、示踪粒子自动添加、流体回收保存和复杂内部流场测量的综合功能。

本发明的技术方案是：用于流体机械流场精细化测量的实验装置包括尾水罐、水泵组、流量监控装置、稳流法兰栅、流体储存系统、待测量模型装置、伸缩节、流场精细化测试系统、示踪粒子添加机构和测功机，尾水罐、水泵组、流量监控装置、稳流法兰栅、伸缩节和待测量模型装置顺次连接组成封闭的循环检测通路，示踪粒子添加机构安装在水泵组和流量监控装置之间，流体储存系统与流量监控装置连接，流场精细化测试系统设置在待测量模型装置的侧面，测功机同轴安装在待测量模型装置上方。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明的尾水罐能够实现模型装置处于不同的空化状态，水泵组能够实现系统中流动的正反向运行，示踪粒子添加机构能够自动添加示踪粒子并混合均匀，流体储存系统和截止阀能够完成对流动工质的折射率调节、出流和回收，并保持热物理性质一致，稳流法兰栅能够保证模型装置入口流动的均匀。通过上述各主要元件的布置，即能够完成对模型装置的精细化综合测量工作。

在该精细化综合测量装置中，流动循环为封闭通路，能够进行双向流动，以适应不同的流体机械类型。比如，当来流从高压侧流向低压侧时(即顺时针循环方向)，可对待测量的透明混流式水轮机、轴流式水轮机、贯流式水轮机等进行测试研究；当来流从低压侧流向高压侧时(即逆时针循环方向)，可对待测的透明水泵进行研究。所以，本装置对于可逆式水轮机(既要求正向流动又要求反向流动的水泵水轮机)进行全特性的研究非常适合，并作为研究空化现象发生机理的极佳平台。

为了适应复杂的弯曲叶片形成的三维湍流流场，专门设计了流体储存系统。实现对流动工质的折射率调配，配合防氧化系统保证流体的热物理性质不变化。这样，既可随时监测工作水溶液的折射率变化情况，保持折射率长时间不变化，又能够在更换透明的模型装置期间，保证流动工质不损失且不致因氧化而失效。

另外，本发明专门设计了示踪粒子添加机构来保证整个测量系统中，特别是透明模型装置中的示踪粒子分布均匀且具有足够的密度。

对于待测的模型装置，本发明将采用透明有机玻璃制造模型装置，并使其外部形状拥有平滑六面体面或平行面。以应用粒子图像测速仪测试水轮机内部流场为例，可以对透明模型装置内部所有部件包括蜗壳、固定导叶和活动导叶之间、活动导叶与转轮之间、转轮内部流场、转轮与尾水管间及尾水管内部的复杂湍流场进行精细化研究。以此可以得到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，并且可以进行从蜗壳至尾水管的全流道及动静干涉区域的专项研究，完成水力机械性能的评价。

应用本发明中的综合测试系统，将有效改善水力机械设计中缺乏理论依据的局面，弥补经验设计方法的不足。同时有助于流体动力学技术的发展，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。

附图说明

图1是本发明的流体机械流场精细化测量综合装置的平面结构示意图；

图2是测功机和透明模型装置的同轴布置示意图；

图3是尾水罐剖视图；

图4是流体储存系统示意图；

图5是稳流法兰栅示意图；

图6是示踪粒子添加机构罐体；

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5和图6说明本实施方式，本实施方式的用于流体机械流场精细化测量的实验装置包括尾水罐1、水泵组2、流量监控装置、稳流法兰栅6、流体储存系统8、待测量模型装置9、伸缩节10、流场精细化测试系统11、示踪粒子添加机构12和测功机14，尾水罐1、水泵组2、流量监控装置、稳流法兰栅6、伸缩节10和待测量模型装置9顺次连接组成封闭的循环检测通路，示踪粒子添加机构12安装在水泵组2和流量监控装置之间，流体储存系统8与流量监控装置连接，流场精细化测试系统11设置在待测量模型装置9的侧面，测功机14同轴安装在待测量模型装置9上方。

如图2所示，以水轮机为例，将测功机14放置于水轮机模型装置9之上，两者同轴布置。正向流动时，测功机14起到发电机的作用，而反向流动时，测功机14起到原动机的作用，目的是调节模型装置转速。图2中的透明模型装置9由有机玻璃加工制成，其内部各部件之间以及圆管与法兰的连接方式采用无挥发性胶水粘接，可避免结合面产生气泡。另外，模型装置9的所有部件的外表面均设计成六面体或平面形状，故只需将测试系统的高速相机对准平面，即可对相应部位进行流场测量。

如图3所示，尾水罐1与抽真空装置和高压气源装置相连接，抽真空装置连接第一接口1-1，高压气源连接第二接口1-2，第三接口1-3为尾水罐1的出口，第四接口1-4连接模型装置9的出口。故尾水罐1布置在待测量的模型装置9之后，功能为调节系统真空度(即尾水压力)，保证待测量装置中的流动可以实现不同的空化数工况。另外，通过该装置还可消弭流体中残留的气泡。

如图4所示，流体储存系统8和流体防氧化装置相连，防氧化装置连接第五接口1-5，第六接口1-6为流体储存系统备用出入口，第七接口1-7为流体出入口。该储存系统处于整个循环通路的最低端，功能为调配并长时间保存流动工质。流体储存系统8和透明模型装置9采用相同的材质——有机玻璃制成。因此在该储存系统中，使用专用化学试剂添加到流动工质中，经充分搅拌均匀后，利用折射率仪测量此时流体存储系统8中的流体折射率。然后根据折射率测量结果，继续添加流动工质或专用化学试剂，最终使得其中流体折射率和有机玻璃的折射率相同。这样，可以有效避免光线在弯曲表面的折射，提高粒子图像测速仪、激光多普勒测速仪或者激光诱导荧光等测试系统测量准确度和精度。另外，实验结束后，打开防氧化装置，即可保证其中流体热物理性质保持不变，并使得系统在更换不同的模型装置时，保证流体量不损失、不失效。

如图5所示，稳流法兰栅6，在该法兰栅上面，在不同半径的同心圆环上均匀布置了不同尺寸的稳流孔，合理的稳流孔布置可以使得从稳流法兰栅6出流的流动状态稳定，从而保证模型装置9的入口流动均匀。

如图6所示，为示踪粒子添加机构12的罐体部分。该装置用于往流体中添加示踪粒子，保证整个流动系统中示踪粒子的密度符合要求。其中，第八接口1-8为示踪粒子添加入口，第九接口1-9连接内部混合装置，进行示踪粒子的预混合，第十接口1-10为示踪粒子预混合流体的释放口。

本发明的流体机械流场测量综合实验装置设计，非常适合对于各种水力机械模型装置的外特性和内特性测试，尤其适合于对内部复杂的三维流场的定量测量。并可以匹配大流量、大水头变化范围和宽空化数范围的流动工况。

本发明实现了循环通路的正反向测量，保证了流动工质的热物理性质长时间保持不变，确保了流体中具有合适的示踪粒子密度，而流体和透明模型装置的折射率的匹配使得对模型装置不同部位的定量测量成为可能。比如使用测试系统对透明的模型水轮机进行实验时，对叶栅部位进行测量，可研究流固耦合现象；对转轮入口和内部进行测量，可研究动静干涉和叶道涡初生及发展现象；对尾水管锥管段进行测量，可研究涡带的形状及能量特性；而对扩散段进行测量，则可研究其消能特性。

本实施方式的伸缩节10用来适应不同模型装置的尺寸要求。

本实施方式的尾水罐1自身与抽真空装置和高压气源相连接，保持真空度的同时，还可消弭流体中残留的气泡。该装置用来调节模型装置9的出口水压(即尾水压力)，这样便可使得模型装置9能够改变不同的空化数。

本实施方式的水泵组2可以实现流动正反向运行，并能进行无级调速。

本实施方式的示踪粒子添加机构12，可以实现自动添加示踪粒子，并进行粒子均匀化分布。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的流体储存系统8和待测量模型装置9均为有机玻璃加工制成的透明待测量模型装置。如此设置，待测量模型装置9的所有部件的外表面均设计成六面体状或者具有平行表面，部件外表面经过打磨保持平滑。避免结合面产生气泡。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的流场精细化测试系统11为粒子图像测速仪、激光多普勒测速仪或者激光诱导荧光。如此设置，整套系统可以实现流量调节、阻尼调节、稳流调节、空化程度调节、正反向调节、示踪粒子自动添加、流体回收和流场测量的综合功能。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的流量监控装置包括流量计3、阻尼调节阀4和精细阻尼调节阀5，流量计3、阻尼调节阀4和精细阻尼调节阀5顺时针顺次串联在水泵组2与稳流法兰栅6之间。如此设置，便于形成下一个循环流动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

本实施方式的精细阻尼调节阀采用缓动阻尼，形成压力降的精度比普通阻尼阀高，故可以更精确调节流量。

本实施方式在循环通路中添加了两级阻尼调节，即阻尼调节阀4和精细阻尼调节阀5，用以配合水泵组2和测功机14来实现流动中水头和流量的调节，使待测模型装置9运行在预期工况点。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的用于流体机械流场精细化测量的实验装置还包括截止阀13，流体储存系统8通过截止阀13连接在流量计3和阻尼调节阀4之间。如此设置，便于控制流体储存系统8。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

本实施方式利用流体储存系统8来保存通过封闭循环通路中的流动介质。流动介质在储存系统8中进行热物性的调配，并添加专用试剂调整其折射率，然后保存待用。进行实验时，打开截止阀13并开启水泵组2即可进行流动循环。在测量实验完成之后，收回流体，关闭截止阀13，并打开储存系统8的防氧化设计，即可进行流体的长时间保存。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的流体储存系统8中添加碘化钠试剂。如此设置，流动介质在储存系统8中进行热物性的调配，并添加专用试剂调整其折射率，便于保存待用。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

本发明的流体机械精细化测量综合装置的示意图图1，其工作过程为：实验开始之前，在流体储存系统8中调配好流体折射率，然后打开截止阀13，将流体送入封闭循环通路。然后打开水泵组2，按照模型装置的要求，确定其正反向运行操作(对于水轮机等流体机械采用正向流动，对于水泵等流体机械采用反向流动)。在进行几次流体循环后，关闭截止阀13，打开示踪粒子添加机构12，往流体中添加并调节示踪粒子的浓度。之后，可开启流量计3、阻尼调节阀4、精细阻尼调节阀5和测功机14(如图2中所示)进行测量前的调节操作。对于流动工况的调节，可以使用尾水罐1、阻尼调节阀4和精细阻尼调节阀5，并配合测功机14完成对空化数、流量和水头的控制。最后，打开流动测试系统11，如粒子图像测速仪，将测试系统中的高速相机对准待测量区域，进行流场的测量。实验结束之后，打开截止阀13，由于流体储存系统8处于整个循环通路的最低处，流体可以全部自动回收至流体储存系统8，然后关闭截止阀13，并启动流体储存系统8中的防氧化系统，进行流体长期保存，以备下次实验时使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种用于流体机械流场精细化测量的实验装置，其特征在于：它包括尾水罐(1)、水泵组(2)、流量监控装置、稳流法兰栅(6)、流体储存系统(8)、待测量模型装置(9)、伸缩节(10)、流场精细化测试系统(11)、示踪粒子添加机构(12)和测功机(14)，尾水罐(1)、水泵组(2)、流量监控装置、稳流法兰栅(6)、伸缩节(10)和待测量模型装置(9)顺次连接组成封闭的循环检测通路，示踪粒子添加机构(12)安装在水泵组(2)和流量监控装置之间，流体储存系统(8)与流量监控装置连接，流场精细化测试系统(11)设置在待测量模型装置(9)的侧面，测功机(14)同轴安装在待测量模型装置(9)上方。

2.根据权利要求1所述的用于流体机械流场精细化测量的实验装置，其特征在于：所述流体储存系统(8)和待测量模型装置(9)均为有机玻璃加工制成的透明待测量模型装置。

3.根据权利要求1所述的用于流体机械流场精细化测量的实验装置，其特征在于：所述流场精细化测试系统(11)为粒子图像测速仪、激光多普勒测速仪或者激光诱导荧光。

4.根据权利要求1、2或3所述的用于流体机械流场精细化测量的实验装置，其特征在于：所述流量监控装置包括流量计(3)、阻尼调节阀(4)和精细阻尼调节阀(5)，流量计(3)、阻尼调节阀(4)和精细阻尼调节阀(5)顺时针顺次串联在水泵组(2)与稳流法兰栅(6)之间。

5.根据权利要求4所述的用于流体机械流场精细化测量的实验装置，其特征在于：所述用于流体机械流场精细化测量的实验装置还包括截止阀(13)，流体储存系统(8)通过截止阀(13)连接在流量计(3)和阻尼调节阀(4)之间。

6.根据权利要求1或5所述的用于流体机械流场精细化测量的实验装置，其特征在于：所述流体储存系统(8)中添加碘化钠试剂。