CN105090061A - 一种混流泵叶轮出口流场的piv测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量装置及方法，包括叶轮、导叶、泵轴、前置进口管段、中间连接管段、后置出口管段以及PIV测量系统；叶轮端壁安装前置进口管段；导叶端壁安装后置出口管段；前置进口管段和后置出口管段之间安装中间连接管段，三者连接构成内壁平滑的混流泵外泵体；中间连接管段整体由透明有机玻璃制成；后置出口管段管壁上开设至少三个测量孔，测量孔处于导叶之间且正对导叶流道；PIV测量系统包括计算机和与其连接的CCD相机、激光片光源，CCD相机用于拍摄叶轮出口流场的流动状态。本发明能够实现对混流泵叶轮出口轴截面和垂直轴环面流场的PIV测量，进而全面反应叶轮出口处流场的流动规律。
Description
技术领域
本发明属于流体机械(泵)内部流动技术领域，尤其是涉及一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量装置及方法。
背景技术
PIV(ParticleImageVelocity)即粒子图像测速技术是近些年来发展起来的一种新型内部流动测试技术，它突破了空间单点测量技术上的局限，可以在瞬间记录下某个截面内的流动信息，现在已广泛应用于水力机械的内部流动测量中，该方法具有高精度、高分辨率、对流场无干扰的优点。
混流泵是介于离心泵和轴流泵之间的一种泵，它的扬程比轴流泵高，但流量比轴流泵小，比离心泵大。其广泛应用于农田排灌、防涝排洪、工业市政、污水处理、造纸等各个领域。PIV拍摄技术已经运用在混流泵内部流场的研究当中，一般可以将叶轮段管路或导叶段管路加工成透明有机玻璃，通过PIV技术获得混流泵内部轴面流场的流动状态。但是，现有针对混流泵内流场研究的PIV测量方法还存在缺陷，其不能获取混流泵叶轮出口处垂直轴环面流场的速度分布，需要一种新的测量装置及方法来满足这一要求。
专利CN201310117499通过改变进口管路并在正对叶轮进口处设置有机玻璃凸台来拍摄叶轮进口截面处的流场流动状态。然而，该方法不仅改变了实验管路的结构，使得轴流泵进口流场的测量严重失真，而且由于叶轮的高速旋转，并不能实现叶轮内部和叶轮出口垂直轴环面流场的测量。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量装置及方法，实现对混流泵叶轮出口轴截面和垂直轴环面流场的PIV测量，进而全面反应叶轮出口处流场的流动规律。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量装置，包括叶轮、导叶、泵轴、前置进口管段、中间连接管段、后置出口管段以及PIV测量系统；所述叶轮和导叶通过泵轴连接在一起，叶轮通过平键固定在泵轴上；所述叶轮端壁安装有前置进口管段；所述导叶端壁安装有后置出口管段；所述前置进口管段和后置出口管段之间安装有中间连接管段，三者连接构成混流泵外泵体，外泵体内壁平滑过渡并成为光滑整体；所述中间连接管段整体由透明有机玻璃制成；所述后置出口管段管壁上开设有至少三个测量孔，所述测量孔处于导叶之间且正对导叶流道用于观察、测量叶轮出口垂直轴环面的流场；所述PIV测量系统包括CCD相机、激光片光源和计算机，所述CCD相机、激光片光源分别与计算机相连；所述激光片光源用于发射激光面曝光叶轮出口流场中的示踪粒子；所述CCD相机用于拍摄叶轮出口流场的流动状态。
进一步的，所述前置进口管段和后置出口管段分别与中间连接管段相连接的一端均设有法兰盘，两个所述法兰盘通过第一螺栓将前置进口管段、中间连接管段和后置出口管段依次连接。
进一步的，所述法兰盘内侧加工有环形凹槽，所述中间连接管段两端加工有与环形凹槽配合的凸台；所述环形凹槽内设置有O形圈。
进一步的，所述中间连接管段沿垂直轴线方向的内侧截面为圆形，沿垂直轴线方向的外侧截面为正方形。
进一步的，所述测量孔内设有透明有机玻璃件，所述透明有机玻璃件内壁与后置出口管段内壁形成光滑流道端壁；所述透明有机玻璃件通过第二螺栓固定于后置出口管段上。
进一步的，所述测量孔可以为圆孔或方孔或不规则孔。
进一步的，所述测量孔为圆孔；所述圆孔有三个，即第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔；所述第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔处于导叶之间且正对导叶流道用于观察、测量叶轮出口垂直轴环面的流场，圆孔轴线方向和泵轴方向平行；所述第一圆孔和第二圆孔正对相邻导叶流道，所述第三圆孔和第一圆孔或第二圆孔之间相隔至少一个导叶流道。
一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量方法，包括如下步骤：
S1：将激光片光源置于中间连接管段正上方，CCD相机垂直于激光片光源且正对中间连接管段中的叶轮出口轴截面流场区域；
S2：当激光片光源发射平行于泵轴的激光面曝光叶轮出口轴截面流场中的示踪粒子时，CCD相机以垂直激光片光源的方向对准中间连接管段内的待测区域拍摄，获得不同时刻叶轮出口轴截面流场的图像信息；
S3：将CCD相机放置于正对所述测量孔位置处，CCD相机镜头的轴线和测量孔的轴线重合；激光片光源置于中间连接管段的正上方，发射垂直于泵轴的激光面曝光叶轮出口垂直轴环面流场中的示踪粒子，将CCD相机对准中间连接管段内的待测区域拍摄，获得不同时刻叶轮出口垂直轴环面流场的图像信息；
S4：将步骤S2中所述叶轮出口轴截面流场的图像信息和S3中所述叶轮出口垂直轴环面流场的图像信息通过后处理最终得到叶轮出口整个流场的速度云图。
进一步的，步骤S3中所述测量孔有3个，即为第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔；该步骤中还包括将CCD相机分别放置于正对第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔处获得不同时刻叶轮出口垂直轴环面流场的图像信息的步骤。
进一步的，步骤S4中所述后处理步骤为：将步骤S2中所述叶轮出口轴截面流场的图像信息和S3中所述叶轮出口垂直轴环面流场的图像信息通过Insight3G和Tecplot软件根据互相关算法可以得到每个粒子在叶轮出口处的速度大小以及方向，得到整个流场的速度云图。
本发明的有益效果：
本发明所述的混流泵叶轮出口流场的PIV测量装置及方法，通过在前置进口管段和后置出口管段之间设置由透明有机玻璃制成的中间连接管段，通过在后置出口管段管壁上开设测量孔，在不改变混流泵流道结构和不影响真实流动状态情况下，实现了混流泵叶轮出口轴截面流场、垂直轴环面流场的PIV测量；通过开设多个测量孔，分别获取叶轮出口垂直轴环面流场图像信息，比较分析相邻流道、间隔流道出口处流场分布的差异，以便更加准确、更加全面的掌握叶轮出口处流场的流动规律。
附图说明
图1为本发明所述混流泵叶轮出口流场PIV测量装置的结构图。
图2为本发明所述后置出口管段左视图。
图3为本发明所述中间连接管段左视图。
附图标记说明如下：
图中：1-后置出口管段，2-第一螺栓，3-中间连接管段，4-前置进口管段，5-导叶，6-叶轮，7-泵轴，8-平键，9-法兰盘，10-O形圈，11-CCD相机，12-透明有机玻璃件，13-第二螺栓，14-激光片光源，15-计算机，16-第一圆孔，17-第二圆孔，18-第三圆孔。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量装置，包括叶轮6、导叶5、泵轴7、前置进口管段4、中间连接管段3、后置出口管段1以及PIV测量系统；所述叶轮6和导叶5通过泵轴7串联在一起，叶轮6通过平键8固定在泵轴7上并随泵轴7旋转。
所述叶轮6端壁安装有前置进口管段4；所述导叶5端壁安装有后置出口管段1；所述前置进口管段4和后置出口管段1之间安装有中间连接管段3；所述前置进口管段4和后置出口管段1分别与中间连接管段3相连接的一端均设有法兰盘9，两个所述法兰盘9通过第一螺栓2将前置进口管段4、中间连接管段3和后置出口管段1依次连接；所述法兰盘9内侧加工有环形凹槽，所述中间连接管段3两端加工有与环形凹槽配合的凸台；所述环形凹槽内设置有O形圈10，并构成混流泵外泵体，外泵体内壁平滑过渡并成为光滑整体。
所述中间连接管段3整体由透明有机玻璃制成；如图3所示，所述中间连接管段3沿垂直轴线方向的内侧截面为圆形，沿垂直轴线方向的外侧截面为正方形。如图2所示，所述后置出口管段1管壁上开设有至少三个测量孔，所述测量孔处于导叶5之间且正对导叶流道用于观察、测量叶轮出口垂直轴环面的流场；所述测量孔内设有透明有机玻璃件12，装配后使得圆孔不渗水，所述透明有机玻璃件12内壁与后置出口管段1内壁按加工流线构成光滑流道端壁；所述透明有机玻璃件12通过第二螺栓13固定于后置出口管段1上；所述测量孔可以为圆孔或方孔或不规则孔。
在本实施例中，所述测量孔为圆孔；所述圆孔有三个，即第一圆孔16、第二圆孔17和第三圆孔18；所述第一圆孔16、第二圆孔17和第三圆孔18处于导叶5之间且正对导叶流道用于观察、测量叶轮出口垂直轴环面的流场，圆孔轴线方向和泵轴7方向平行；所述第一圆孔16和第二圆孔17正对相邻导叶流道，所述第三圆孔18和第一圆孔16或第二圆孔17之间相隔至少一个导叶流道。
所述PIV测量系统包括CCD相机11、激光片光源14和计算机15，所述CCD相机11、激光片光源14分别与计算机15相连；所述激光片光源14用于发射激光面曝光叶轮出口流场中的示踪粒子；所述CCD相机11用于拍摄叶轮出口流场的流动状态。
该装置的测量方法为，包含如下步骤：
S1：将激光片光源14置于中间连接管段3正上方，CCD相机11垂直于激光片光源14且正对中间连接管段3中的叶轮出口轴截面流场区域；
S2：当激光片光源14发射平行于泵轴的激光面曝光叶轮出口轴截面流场中的示踪粒子时，CCD相机11以垂直激光片光源14的方向对准中间连接管段3内的待测区域拍摄，获得不同时刻叶轮出口轴截面流场的图像信息；
S3：将CCD相机11分别放置于正对第一圆孔16、第二圆孔17和第三圆孔18；CCD相机11镜头的轴线和第一圆孔16、第二圆孔17和第三圆孔18的轴线分别重合；激光片光源14置于中间连接管段3的正上方，发射垂直于泵轴7的激光面曝光叶轮出口垂直轴环面流场中的示踪粒子，将CCD相机11对准中间连接管段3内的待测区域拍摄，获得不同时刻叶轮出口垂直轴环面流场的图像信息；
S4：将步骤S2中所述叶轮出口轴截面流场的图像信息和S3中所述叶轮出口垂直轴环面流场的图像信息通过Insight3G和Tecplot软件根据互相关算法可以得到每个粒子在叶轮出口处的速度大小以及方向，得到叶轮出口整个流场的速度云图。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量装置，其特征在于，包括叶轮(6)、导叶(5)、泵轴(7)、前置进口管段(4)、中间连接管段(3)、后置出口管段(1)以及PIV测量系统；所述叶轮(6)和导叶(5)通过泵轴(7)连接在一起，叶轮(6)通过平键固定在泵轴(7)上；所述叶轮(6)端壁安装有前置进口管段(4)；所述导叶(5)端壁安装有后置出口管段(1)；所述前置进口管段(4)和后置出口管段(1)之间安装有中间连接管段(3)，三者连接构成混流泵外泵体，外泵体内壁平滑过渡并成为光滑整体；所述中间连接管段(3)整体由透明有机玻璃制成；所述后置出口管段(1)管壁上开设有至少三个测量孔，所述测量孔处于导叶(5)之间且正对导叶流道，用于观察、测量叶轮出口垂直轴环面的流场；所述PIV测量系统包括CCD相机(11)、激光片光源(14)和计算机(15)，所述CCD相机(11)、激光片光源(14)分别与计算机(15)相连；所述激光片光源(14)用于发射激光面曝光叶轮出口流场中的示踪粒子；所述CCD相机(11)用于拍摄叶轮出口流场的流动状态。
2.根据权利要求1所述的一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量装置，其特征在于，所述前置进口管段(4)和后置出口管段(1)分别与中间连接管段(3)相连接的一端均设有法兰盘(9)，两个所述法兰盘(9)通过第一螺栓(2)将前置进口管段(4)、中间连接管段(3)和后置出口管段(1)依次连接。
3.根据权利要求2所述的一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量装置，其特征在于，所述法兰盘(9)内侧加工有环形凹槽，所述中间连接管段(3)两端加工有与环形凹槽配合的凸台；所述环形凹槽内设置有O形圈(10)。
4.根据权利要求1所述的一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量装置，其特征在于，所述中间连接管段(3)沿垂直轴线方向的内侧截面为圆形，沿垂直轴线方向的外侧截面为正方形。
5.根据权利要求1所述的一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量装置，其特征在于，所述测量孔内设有透明有机玻璃件(12)，所述透明有机玻璃件(12)内壁与后置出口管段(1)内壁形成光滑流道端壁；所述透明有机玻璃件(12)通过第二螺栓(13)固定于后置出口管段(1)上。
6.根据权利要求5所述的一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量装置，其特征在于，所述测量孔可以为圆孔或方孔或不规则孔。
7.根据权利要求6所述的一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量装置，其特征在于，所述测量孔为圆孔；所述圆孔有三个，即第一圆孔(16)、第二圆孔(17)和第三圆孔(18)；所述第一圆孔(16)、第二圆孔(17)和第三圆孔(18)处于导叶(5)之间且正对导叶流道用于观察、测量叶轮出口垂直轴环面的流场，圆孔轴线方向和泵轴(7)方向平行；所述第一圆孔(16)和第二圆孔(17)正对相邻导叶流道，所述第三圆孔(18)和第一圆孔(16)或第二圆孔(17)之间相隔至少一个导叶流道。
8.一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将激光片光源(14)置于中间连接管段(3)正上方，CCD相机(11)垂直于激光片光源(14)且正对中间连接管段(3)中的叶轮出口轴截面流场区域；
S2：当激光片光源(14)发射平行于泵轴(7)的激光面曝光叶轮出口轴截面流场中的示踪粒子时，CCD相机(11)以垂直激光片光源(14)的方向对准中间连接管段(3)内的待测区域拍摄，获得不同时刻叶轮出口轴截面流场的图像信息；
S3：将CCD相机(11)放置于正对所述测量孔位置处，CCD相机(11)镜头的轴线和测量孔的轴线重合；激光片光源(14)置于中间连接管段(3)的正上方，发射垂直于泵轴(7)的激光面曝光叶轮出口垂直轴环面流场中的示踪粒子，将CCD相机(11)对准中间连接管段(3)内的待测区域拍摄，获得不同时刻叶轮出口垂直轴环面流场的图像信息；
S4：将步骤S2中所述叶轮出口轴截面流场的图像信息和S3中所述叶轮出口垂直轴环面流场的图像信息通过后处理最终得到叶轮出口整个流场的速度云图。
9.根据权利要求8所述的一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量方法，其特征在于，步骤S3中所述测量孔有3个，即为第一圆孔(16)、第二圆孔(17)和第三圆孔(18)；该步骤中还包括将CCD相机(11)分别放置于正对第一圆孔(16)、第二圆孔(17)和第三圆孔(18)处获得不同时刻叶轮出口垂直轴环面流场的图像信息的步骤。
10.根据权利要求8所述的一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量方法，其特征在于，步骤S4中所述后处理步骤为：将步骤S2中所述叶轮出口轴截面流场的图像信息和S3中所述叶轮出口垂直轴环面流场的图像信息通过Insight3G和Tecplot软件根据互相关算法可以得到每个粒子在叶轮出口处的速度大小以及方向，得到整个流场的速度云图。
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