CN108757505A - 一种离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种离心泵内部流场‑压力脉动耦合测量实验系统，采用可视化测量流场特性的方法，同时采用荧光过滤技术，提高了叶片附近流场测量的准确性；采用连续激光发生器和高速摄像机搭配，充分保证流场测量过程中时序上的不间断性，清晰获取离心泵内部流场特性的时序信息，实现离心泵内部流场信息在时序上的连续捕获。本发明通过对离心泵内部流场特性测量以及压力脉动测量，获取离心泵内部速度场、湍流小尺度流动特性以及脉动压力特性，分析内部流场流动机理，并结合分析流场特性与压力脉动特性，深入了解离心泵内部结构、流动特性与压力脉动之间的内在联系，为离心泵结构设计的改进以及减振降噪提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及流体力学、光学、减振降噪、核安全等技术领域，特别涉及一种离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统。
背景技术
离心泵是现代工业中进行能量转换和流体输送的动力装置之一，随着科学技术的进步，离心泵的应用范围越来越广，人们也越来越重视离心泵运行的可靠性、稳定性、高效性和低振动性。由于离心泵内部结构的复杂性与非对称性，其内部工质流动是一种极其复杂的复合运动，离心泵性能的好坏在很大程度上取决于内部流动情况，此外，内部流体引发的高频压力脉动会产生噪声，进而引起泵体振动，并通过管路向外传播，严重时会损坏泵体结构，影响泵自身工作。因此，离心泵内部流场的流动特性与压力脉动特性研究对于改进离心泵结构设计、提高运行效率、节能降噪具有极其重大的意义。
目前已有的可视化测量系统虽可实现离心泵流场的全场测量，但仍存在以下不足：第一，由于采用脉冲激光和跨帧相机组合，受限于脉冲激光的工作原理，无法实现流场时序上的连续测量；第二，由于离心泵内部结构复杂性，强烈反光导致叶轮流道内压力面与吸力面附近流场无法准确测量；第三，无法实现流场特性与压力脉动特性的同步测量；因此有必要设计一种先进的离心泵流场-压力脉动同步耦合测量系统，实现离心泵流场特性与压力脉动特性准确、方便的同步测量。
本发明提供的是一种离心泵内部流场-压力脉动耦合测量实验系统，通过对离心泵内部流场特性测量以及压力脉动测量，获取离心泵内部速度场、湍流小尺度流动特性以及脉动压力特性，分析内部流场流动机理，并结合分析流场特性与压力脉动特性，深入了解离心泵内部结构、流动特性与压力脉动之间的内在联系，为离心泵结构设计的改进以及减振降噪提供指导。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种具有较高的流场测量精度，实现不同实验工况下离心泵内部流场特性与高频压力脉动特性的同步耦合测量，同时可开展离心泵内部流场信息时序上的连续采集的离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统,包括可视化循环回路与脉动压力采集及光路系统，其特征在于：可视化循环回路包括循环水箱、加热器、换热器、总阀、电磁流量计、旁通阀、主阀、进口压力表、透明离心泵、出口压力表、排气阀、节流阀、温度计、三通阀、排水箱、工质水箱以及染色剂水箱，透明离心泵入水口通过管路与进口压力表、主阀、电磁流量计、总阀以及循环水箱的下端出水口依次连接；透明离心泵出水口通过管路与出口压力表、排气阀、节流阀、温度计以及三通阀右端口依次连接；三通阀左端口通过管路伸入到循环水箱中，三通阀下端口通过管路与排水箱连接；循环水箱右端出水口通过管路连接旁通阀后连接到主阀与电磁流量计之间的管路上；循环水箱内部在右端出水口处设有换热器；循环水箱内部在下端出水口与左端进水口之间设有加热器；工质水箱出水口通过管路与染色剂水箱出水口连接，循环水箱左端进水口通过管路连接在工质水箱与染色剂水箱出水口之间的管路上；工质水箱出水口、染色剂水箱出水口以及循环水箱左端进水口处均设有节流阀；脉动压力采集及光路系统包括光源、滤光片、高频脉动压力传感器、轴编码器、单片机、光源、滤光片、高速摄像机、计算机、通用数据采集系统以及变频器；透明离心泵左侧与右侧均设置有光源；高速摄像机设置在透明离心泵正面，滤光片设置在高速摄像机与透明离心泵之间；透明离心泵与轴编码器、单片机以及高速摄像机依次连接；通用数据采集系统与透明离心泵连接，高速摄像机与通用数据采集系统均与计算机连接；变频器与透明离心泵连接。
本发明还可以包括：
所述的透明离心泵采用透明PMMA材料浇铸而成，并对其表面进行抛光处理。
所述的光源采用532nm连续激光发生器，所述的滤光片为532nm窄通滤光片。
所述的脉动压力采集及光路系统包括同步器，同步器分别连接高速摄像机、通用数据采集系统与计算机。
所述的透明离心泵的入水口、轴以及测压孔在同一侧，同时采用法兰-硅胶-法兰的连接方式。
本发明的有益效果在于：
本发明采用可视化测量流场特性的方法，同时采用荧光过滤技术，避免了叶轮流道内压力面与吸力面附近因强烈反光导致PIV粒子无法准确捕获的问题，提高了叶片附近流场测量的准确性；本发明相比传统的离心泵流场可视化测量系统中采用的脉冲激光源与跨帧相机，本发明采用的连续激光发生器和高速摄像机搭配，可以充分保证流场测量过程中时序上的不间断性，清晰获取离心泵内部流场特性的时序信息，实现离心泵内部流场信息在时序上的连续捕获；本发明通过同步控制器控制相机与采集系统的触发，在实现流场特性与压力脉动测量的同时，充分保证了测量同步性；本发明结构简单，设计巧妙，拆卸方便。
附图说明
图1是一种离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统的可视化循环回路示意图；
图2是一种离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统的脉动压力采集及光路系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
结合图1，是本发明的可视化循环回路系统，由循环水箱1、加热器2、换热器3、总阀4、电磁流量计5、旁通阀6、主阀7、进口压力表8、透明离心泵9、出口压力表10、排气阀11、节流阀12、温度计13、三通阀14、排水箱15、工质水箱16以及染色剂水箱17组成。实验开始前，按一定阀门开度打开工质水箱16以及染色剂水箱17的节流阀12，得到合适浓度的染色剂溶液进入循环水箱1中。关闭旁通6及节流阀12，打开回路总阀4，缓慢开启主阀7，实验离心泵9开始充水，充水阶段完成后，缓慢启动离心泵。当离心泵达到预定工况点以后，打开离心泵出口节流阀12，随后开启排气阀11，对离心泵进行排气，排气结束后，关闭排气阀11并开启各仪表，监测各参数有无异常，完成回路调试。实验中，在透明离心泵驱动下，工质流经各阀门及仪表回到循环水箱1完成流动循环，工质温度通过循环水箱1中的换热器3维持恒定，避免工质物性参数改变带来的实验误差。
结合图2，是本发明的脉动压力采集及光路系统，由透明离心泵9、高频脉动压力传感器18、轴编码器19、单片机20、532nm连续激光发生器21、532nm窄通滤光片22、高速摄像机23、同步器24、计算机25、通用数据采集系统26以及变频器27组成。实验中流场流动信息通过高速摄像机23记录，压力脉动信息通过通用数据采集系统26采集，为保证流场信息与压力脉动信息采集的同步性，通过同步器24控制高速摄像机23与采集系统26的同步触发，避免了数据采集之间的时间滞后。采用两台连续激光发生器21进行光源互补，同时搭配高速摄像机23，充分保证了流场测量过程中时序上的不间断性，清晰获取离心泵内部流场特性的时序信息，对研究离心泵内部了流场结构的运动、演变过程具有极其重要的意义；采用荧光过滤技术，通过窄通滤光片22过滤染色剂溶液的荧光光波，消除了叶片附近强烈反光对流道内PIV粒子遮盖的问题，充分保证了流场流动特性测量的准确性；此外，采用轴编码器19及单片机20编程记录流场测量中的轴相位，充分保证实验过程中测量区域相位的准确性，提高了实验测量精度。
本发明提供的是一种先进的离心泵内部流场-压力脉动耦合测量实验系统，可实现不同实验工况下离心泵内部流场特性与高频压力脉动特性的同步耦合测量，同时可开展离心泵内部流场信息时序上的连续采集，利用高速摄像机、高频压力传感器以及采集系统获取不同实验工况下离心泵内部复杂的流场流动信息以及高频压力脉动信息，包括：速度场分布、湍流强度分布、涡量分布、脉动压力幅值、周向脉动压力分布等关键参数，进而研究压力脉动特性与泵内流动特性、流场结构之间的内在联系，为改良离心泵设计、减振降噪提供数据和理论支撑。采用高精度水平仪以及激光准直器对实验台以及高速摄像机进行调节，充分保证高速摄像机与拍摄面的垂直度，防止光路畸变带来的测量误差。
实验离心泵采用高透光性和高透明度的PMMA材料浇铸而成，并对其表面进行抛光处理，充分保证了实验泵的可视化效果；
采用波长为532nm的连续激光发生器作为光源，弥补了脉冲激光在时间序列上间断的不足，充分保证了流场测量过程中时序上的不间断性，清晰获取离心泵内部流场特性的时序信息；
采用荧光过滤技术消除了叶片附近强烈反光对流道内PIV粒子遮盖的问题，充分保证了流场流动特性测量的准确性；
采用轴编码器及单片机编程记录流场测量中的轴相位，充分保证实验过程中测量区域相位的准确性，提高了实验测量精度；
采用同步控制器控制相机与采集系统的触发，充分保证了流场与压力脉动的同步测量；
离心泵入水口、轴以及测压孔设计在同一侧，充分保证了实验过程中激光源以及相机布置的便利性，避免了压力传感器布置对光线的干扰以及入水管段对拍摄区域的遮挡；
可视化的透明离心泵采用法兰-硅胶-法兰的连接方式，在考虑结构强度的同时又充分保证了透明离心泵良好的密封效果；
本发明提供的是一种先进的离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统，实验系统包括闭式循环回路、压力脉动测量系统以及光路系统三个部分。本发明的测量系统可以同时实现不同实验工况下离心泵内部流场特性、高频压力脉动特性的同步耦合测量。并针对已有可视化测量技术的不足，采用荧光过滤技术解决了叶片附近强烈反光对流道内PIV粒子遮盖的问题，提高了压力面与吸力面附近流场测量精度；同时采用连续激光器、高速摄像机、窄通滤光片等相关光学元件的组合，实现了离心泵内部流场在时序上的连续测量，弥补了脉冲激光在时间序列上间断性的不足。本发明可以实现离心泵内部复杂流场与高频脉动压力场的同步耦合测量，对复杂的流场流动特性(如速度分布、湍流强度、流动分离、射流-尾迹)展开全场实时测量的同时，同步获取压力场的高频脉动信息，测量过程中不会对实际流场产生扰动，实验系统设计巧妙，价格低廉，数据采集准确方便，研究工况范围广，适用于离心泵内部复杂流场流动特性及压力脉动特性的研究。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统,包括可视化循环回路与脉动压力采集及光路系统，其特征在于：可视化循环回路包括循环水箱、加热器、换热器、总阀、电磁流量计、旁通阀、主阀、进口压力表、透明离心泵、出口压力表、排气阀、节流阀、温度计、三通阀、排水箱、工质水箱以及染色剂水箱，透明离心泵入水口通过管路与进口压力表、主阀、电磁流量计、总阀以及循环水箱的下端出水口依次连接；透明离心泵出水口通过管路与出口压力表、排气阀、节流阀、温度计以及三通阀右端口依次连接；三通阀左端口通过管路伸入到循环水箱中，三通阀下端口通过管路与排水箱连接；循环水箱右端出水口通过管路连接旁通阀后连接到主阀与电磁流量计之间的管路上；循环水箱内部在右端出水口处设有换热器；循环水箱内部在下端出水口与左端进水口之间设有加热器；工质水箱出水口通过管路与染色剂水箱出水口连接，循环水箱左端进水口通过管路连接在工质水箱与染色剂水箱出水口之间的管路上；工质水箱出水口、染色剂水箱出水口以及循环水箱左端进水口处均设有节流阀；脉动压力采集及光路系统包括光源、滤光片、高频脉动压力传感器、轴编码器、单片机、光源、滤光片、高速摄像机、计算机、通用数据采集系统以及变频器；透明离心泵左侧与右侧均设置有光源；高速摄像机设置在透明离心泵正面，滤光片设置在高速摄像机与透明离心泵之间；透明离心泵与轴编码器、单片机以及高速摄像机依次连接；通用数据采集系统与透明离心泵连接，高速摄像机与通用数据采集系统均与计算机连接；变频器与透明离心泵连接。
2.根据权利要求1所述的一种离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统，其特征在于：所述的透明离心泵采用透明PMMA材料浇铸而成，并对其表面进行抛光处理。
3.根据权利要求1或2所述的一种离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统，其特征在于：所述的光源采用532nm连续激光发生器，所述的滤光片为532nm窄通滤光片。
4.根据权利要求1或2所述的一种离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统，其特征在于：所述的脉动压力采集及光路系统包括同步器，同步器分别连接高速摄像机、通用数据采集系统与计算机。
5.根据权利要求3所述的一种离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统，其特征在于：所述的脉动压力采集及光路系统包括同步器，同步器分别连接高速摄像机、通用数据采集系统与计算机。
6.根据权利要求1或2所述的一种离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统，其特征在于：所述的透明离心泵的入水口、轴以及测压孔在同一侧，同时采用法兰-硅胶-法兰的连接方式。
7.根据权利要求3所述的一种离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统，其特征在于：所述的透明离心泵的入水口、轴以及测压孔在同一侧，同时采用法兰-硅胶-法兰的连接方式。
8.根据权利要求4所述的一种离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统，其特征在于：所述的透明离心泵的入水口、轴以及测压孔在同一侧，同时采用法兰-硅胶-法兰的连接方式。
9.根据权利要求5所述的一种离心泵流场-压力脉动耦合测量实验系统，其特征在于：所述的透明离心泵的入水口、轴以及测压孔在同一侧，同时采用法兰-硅胶-法兰的连接方式。
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