CN112797005A - 一种三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法及装置，属于三维三分量(3D3C)流体流动测试领域，其中，方法包括：将后蜗壳模块安装到光学平台上，并与光学补偿模块连接为一体，在光学补偿盒中置入匹配液并执行空间坐标标定，取出匹配液并卸下光学补偿盒，安装水泵模块，系统内通入匹配液，进行粒子布撒和光路调整，测量粒子图像并处理，得到体三维旋转湍动流体流动数据。同时，本发明也提供了一种体三维离心泵流场测量装置，结合3D打印技术实现模块化泵体设计并依托折射率匹配和微流控造粒技术解决测量光路扭曲和粒子信号差的问题。该发明解决了离心泵叶轮内部湍流流场的标定和拍摄问题，为后续离心泵内的体三维问题研究提供了有益的经验。

Description

一种三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法及装置

技术领域

本发明涉及三维三分量（3D3C）流体流动测试领域，尤其是涉及一种基于V3V技术的三维离心泵高曲叶轮内部旋转湍流场的测量方法及装置，适用于处理三维粒子图像采集光路中存在封闭腔体且测试面具有较高曲率的情况下的体三维旋转湍流场测量方法。具体地说，本发明提供了一种通过结合3D打印技术的模块化泵体设计，解决了离心泵封闭腔体内部无法标定问题标定和拍摄的问题，依托折射率匹配和微流控造粒技术实现旋转湍流场的体三维测量。

背景技术

泵类设备是流体能量传输和质量传输的重要核心，其性能与其流场密切相关。

目前其内部流动测量难度仍然较高，缺少行之有效的通用解决方案。其主要难度主要集中在三点：泵内流动的三维瞬时性、测试流程和模型设计制作的复杂性以及测试手段的局限性。

首先，泵内存在强烈的非定常流动现象，例如脉动的径向力、动静干涉、进口来流的不稳定涡、叶轮出口黏性尾流、空化/回流等不稳定工况，对泵的效率、稳定性和振动噪声等均有显著的影响。其次，目前泵类设备的粒子图像测量主要通过在实型泵基础上进行结构简化或改造设计来实现。显而易见的，模型的简化会导致泵的效率产生一定的降低，并使得测量结果不能真实反映实型泵内的流动情况。兼顾模型的一致性和易测量性存在不可调和的矛盾，对测量流程、设备布置和模型的设计制作要求很高。最后，常规的流体流动测量手段，如相位多普勒测试仪(PDPA)、粒子图像测速仪(PIV)均只能在点、面的维度上进行流体流动测量，但是由于泵内非定常流动具有瞬时性和三维性，其流动特征往往需要在三维弯曲的S1、S2流面上才能有效表征，采用常规的点、面测量技术难以取得良好的测量效果，亦无法获取全面的流动信息。

体三维测速仪(V3V)是全球领先的流场测速系统，其中“体三维”就是指可以在一个x、y、z三维区域内任意位置获得任何一个u、v、w方向上的速度分量。体三维测速仪的特色是瞬时状态三相机同步拍摄粒子图像，可以获得瞬态三维三向量速度场，其特征是采用三个CCD跨帧相机，同步分别捕捉一个三维区域内所有示踪粒子的图像，并通过3D-PTV 算法计算出其中每一个粒子的运动趋势和速度大小。体三维测速仪的出现，使得泵内流体流动的三维瞬时测量成为可能。流动测量不再局限于一些固定的点或者平面上，叶轮内流动的全貌也可以实现可视化。

但是，目前的离心泵模型设计均难以满足V3V测量需要，在空间标定、光程补差、粒子信号采集方面均存在致命缺陷。CN101943169A公开了一种用于三维PIV测量的离心泵，主要用于离心泵内部流动的PIV标定和测量，其特征在于自制靶盘可安装于一侧的分离式端盖上，移动到指定位置后进行标定。但是其靶盘的移动主要目的在于分多次拍摄不同的截面，并获得单面的坐标数据，其标定数据是平面的，非立体的，每次标定对应的即使将多个平面的标定和测量分步完成并组合，仍然是非瞬时的。CN108953171A公开了一种混流泵叶片轮缘间隙流场的3D-PIV测量装置及方法，其特征在于通过将转轮室外侧设置三棱柱凸起，并合理布置两个相机和片光源，消除激光的反光和折射，提高粒子图像效果。CN111610173A公开了一种三维流体浓度场标定装置和方法，可以根据标定装置的多帧扫描图像，确定所述标定装置中的第一、第二、第三层腔体的位置，在确定每个子腔体的位置，从而确定标定系数。依据每一层的标定系数，将扫描图像转化为浓度分布。此方法也是通过拍摄每一层腔体获得不同截面的图像来进行标定，无法一次性完成所有拍摄。另外，上述所有专利针对的三维测量及所使用的模型均只适用于平面三维(2D3C)测量范畴，无法直接应用在体三维(3D3C)流体流动测量中。相比较而言，本发明采用的是立体三维拍摄与测量技术并设计了相应的测试模型，利用三台相机同时拍摄，直接重构图像的网络节点，建立瞬态三维空间坐标，一次完成三维体区域内拍摄，简单快捷，误差较小。

因此，本领域迫切需要开发一种能够在保持复杂模型基本特征不变情况下，能够实现三维三分量离心泵高曲叶轮内流场测量方法及装置。因此，现有模型需要改换设计思路，保留核心结构、去除冗余部件，重新设计测试方案以及测量模型并完成实验布置和模型加工。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：将后蜗壳安装到光学平台上，并与光学补偿模块连接为一体；

步骤2：在光学补偿盒中置入匹配液，调整V3V摄像机的三镜头焦距，使其焦点位于测试区域中心，并执行空间坐标标定；

步骤3：当于计算机和显示屏中得到粒子图像和坐标数据后，结束标定取出匹配液并卸下光学补偿盒，安装水泵模块及前蜗壳与所述后涡壳组成完整的实验模型泵；

步骤4：通过所述V3V摄像机进行拍摄，通过所述光学补偿模块中的激光和导光臂进行光学补偿，同时设置相位同步器和同步器以控制所述激光和所述V3V摄像机的拍摄时间；

步骤5：于配料罐中再次通入匹配液进行粒子布撒和光路调整后，流经水泵模块进入所述实验模型泵，通过所述前蜗壳上的测试面测量得到粒子图像，经处理后得到体三维旋转湍动流体流动数据。

进一步地，所述的步骤2中的匹配液采用纯水、碘化钠-水溶液或邻苯二甲酸二丁酯-乙醇溶液，以抵消曲界面反射和折射。

进一步地，所述的步骤4中的激光通过多个柱面镜、凸透镜组合后形成体光，其照射方向根据泵型设计包括正上方、正侧方或斜后方照射。

本发明还提供一种用于所述的三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法的测量装置，包括所述光学平台，所述光学平台上设有泵、所述光学补偿模块、所述V3V摄像机，所述泵通过接入电机两端分别连接压力表，一端所述压力表经阀门与流量计相连接，另一端所述压力表依次经过缓冲罐和所述配液罐后与所述流量计闭环连接。

进一步地，所述光学补偿模块包括激光和与所述激光相连接的导光臂，以及用于控制所述V3V摄像机和所述激光的所述相位同步器和同步器。

进一步地，所述泵包括所述前蜗壳和所述后蜗壳，由所述前蜗壳和所述后蜗壳组成的结构体上设有进水口和出水口，所述结构体内置有叶轮主轴、叶轮轴承和叶轮，并通过机械密封进行整体密封，由所述叶轮主轴和叶轮轴承带动所述叶轮转动。

进一步地，所述前蜗壳和所述后蜗壳通过三脚架设置于所述光学平台上。

进一步地，由所述叶轮主轴伸出所述机械密封的一端还套接设置有轴承。

进一步地，所述轴承内置于同样套接设置于由所述叶轮主轴伸出所述机械密封的一端的轴承套中，并最终通过轴承盖和后盖板整体封闭。

进一步地，所述泵整体内置于水箱中，所述前蜗壳上设有测试面，所述测试面与所述水箱之间还设有用于空间标定的靶盘。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明在不改变泵的核心结构设计、不简化模型的基础上，基于V3V技术，提出一种离心泵高曲叶轮内部旋转湍流场的测量方法。为了保持复杂模型基本特征不变，实现标定过程中靶盘布置和测量空间坐标重建需要的光路设计，根据离心泵性能试验和V3V测试准则，确定了一系列实验步骤。通过布置V3V系统、添加示踪粒子、调整光路和拍摄多组不同相位的图像等方法，得到并处理粒子图像，从而得到体三维旋转湍动流体流动数据，解决了离心泵叶轮内部弯曲流面的标定和拍摄问题。

（2）相比于其他发明更注重于离心泵内部的结构，本发明对于测量装置也有一定的研究和改进，即盖板的分体设计和匹配液的折射率均可达到光学匹配和消除光程差标定，在通入匹配液之后，可直接进行粒子图像的拍摄和坐标测量，更加快捷、准确。突破了测试手段的局限性。该系统简单，容易实施，投资小，操作方便，并适合长周期运转。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明结构总装置流程示意图。

图2是本发明离心泵测试模型外形示意图。

图3是本发明离心泵测试模型截面图。

图4是本发明测试模型泵分解视图。

图5是本发明标定装置分解视图。

其中，1.泵，2.V3V摄像机，3.导光臂，4.压力表，5.阀门，6.流量计，7.配液罐，8.缓冲罐，9.激光，10.光学平台，11.相位同步器，12.同步器，13显示屏，14.计算机，15.前蜗壳，16.测试面，17.三脚架，18.后蜗壳，19.出水口，20.进水口，21.陶瓷轴承，22.轴承套，23.机械密封，24.叶轮主轴，25.轴承盖，26.后盖板，27.叶轮，28.紧固螺栓，29.叶轮轴承，30.靶盘，31.水箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种新的三维三分量流场测量方法及装置，克服了现有技术中存在的缺陷。

本发明的目的是基于V3V技术，提出一种离心泵高曲叶轮内部旋转湍流场的测量方法与装置。本发明所要解决的首要技术问题是解决标定过程中靶盘布置和测量空间坐标重建需要实现的光路设计问题，提供一种新的三维三分量流场测量方法。本发明所要解决的另一个技术问题是提供一套上述处理方法中的专用装置，其系统简单，容易实施，投资小，操作方便，并适合长周期运转。

一方面，本发明提供了一种基于V3V技术的体三维离心泵高曲叶轮内流场测量方法，该方法包括：

将后蜗壳模块安装到光学平台上，并与光学补偿模块连接为一体，此步骤必须保证后蜗壳模块具有独立的支撑结构，使其在不同状态中的最大形变量均小于0.01mm；

在光学补偿盒中置入匹配液，调整三镜头焦距，使其焦点位于测试区域中心，并执行空间坐标标定，可通过调整匹配液的折射率来抵消曲界面反射和折射；

取出匹配液并卸下光学补偿盒，安装水泵模块；

系统内通入匹配液，进行粒子布撒和光路调整，该示踪粒子必须利用微流控方式制备，使其粒度、密度、分散度均在一定范围内可控；

通过调整相位同步器和同步器控制激光和V3V摄像机，所述激光通过多个柱面镜、凸透镜组合后形成体光。照射方向根据泵型设计可以为正上方方、正侧方或斜后方照射。

测量粒子图像并处理，得到体三维旋转湍动流体流动数据。

另一方面，本发明提供了一种体三维离心泵高曲叶轮内流场测量装置，该装置包括：

后蜗壳模块，在空间标定时与光学补偿模块相连，在测量时与水泵模块相连；

一个压力表、阀门、流量计，与水泵模块连接，用以调节工况和观察运行状态；

配料罐，与流量计相连，用于调配匹配液和布撒示踪粒子；

气液分离罐，与配料罐相连，用于脱除匹配液中溶解或混合的气体；

另一个压力表，与气液分离罐连接。

光学补偿模块，光学模块包括激光、导光臂、光学平台、相位同步器和同步器等，V3V摄像机通过测试面拍摄泵内部流体情况，激光和V3V摄像机由相位同步器和同步器控制。

水泵模块，包括进水口、出水口、轴承、轴承套、叶轮主轴、叶轮、机械密封等。

如图1所示，该流场测量装置由蜗壳模块、水泵模块、光学模块组成。其中，水泵1通过接入电机两端分别连接压力表4，左端压力表与阀门5和流量计6相连，右端压力表与缓冲罐8相连，最后连接配液罐7。光学模块包括激光9、光学平台10、相位同步器11、同步器12、显示屏13、计算机14。V3V摄像机2通过测试面16拍摄泵1内部流体情况，激光9和V3V摄像机2由相位同步器11和同步器12控制。

如图2所示，前蜗壳15、后蜗壳18均具有独立结构，由三脚架17支撑，由紧固螺栓28固定，可以进行分离。匹配液由进水口20进入，出水口19流出。

如图3所示，整个泵体均通过机械密封23实现密封，由叶轮主轴24和叶轮轴承29带动叶轮27进行转动，轴承由轴承套22固定，由轴承盖25和后盖板26完成封闭。

如图4所示，前蜗壳15和后蜗壳18分离，泵体分解，通过测试面16拍摄泵体内部结构和流动情况。

如图5所示，在测试面16和水箱31之间加入靶盘30进行空间标定。

具体操作方式如下：先在光学补偿盒中置入匹配液，调整V3V摄像机2三镜头焦距，使其焦点位于测试区域中心，并执行空间坐标标定。不断调整示踪粒子其粒度、密度及分散度使得折射率最佳，来抵消反射和折射。在计算机14和显示屏13中得到粒子图像及坐标数据。结束标定，取出匹配液并卸下光学补偿盒，安装水泵1，通过V3V摄像机2进行拍摄，连接好激光9和导光臂3进行光学补偿，同时设置好相位同步器11和同步器12来控制激光9和V3V摄像机2的拍摄时间。再次通入匹配液，通过粒子布撒和光路调整，使得匹配液可控。匹配液分别流经流量计6、阀门5和压力表4进入水泵1，此时前蜗壳15和后蜗壳18由于具有独立的结构，可以进行分离。通过测试面16拍摄到不同截面、不同相位的粒子数据。在靶盘30上进行标定。

实际应用例：

中国电建集团上海能源装备有限公司光学测量实验室采用了本发明的测试方法和装置完成了熔盐泵叶轮内部流场的体三维流体流动测试和可视化分析。

测试流程：

表 1

主要操作条件如表1所示：

根据离心泵性能试验和V3V测试准则，本应用例确定采用的实验步骤如下：

a）安装实验模型泵；

b）布置V3V系统，连接电源和数据线，搭建遮光暗室；

c）调节体光源的位置，使其尽量位于叶轮出口宽度一致的空间区域内；

d）调节相机位置和参数，使其尽量垂直光源体区域，且图像清晰；

e）启动模型泵，调节工况至特征流量工况，并控制转速为1000RPM；

f）在水罐内添加适量的罗丹明B溶液染色的示踪粒子；

g）尝试拍摄，调节激光器拍摄参数（光强、脉冲宽度、延时等）、相机焦距和粒子浓度，使得拍摄的粒子图像清晰；

h）通过三维识别和粒子追踪和数据插值处理，评判拍摄效果；

i）当满足要求后，通过调节同步控制器参数改变相位，每个相位拍摄500组图像；

j）调节离心泵出口电动阀，改变流量继续i步骤拍摄；

k）两种叶轮分别从左、右两侧分别按a-j的步骤进行V3V实验。

归功于良好的折射率匹配效果和模型设计，本实验完成了多个转速和压力、流量条件下熔盐泵叶轮内部流场的体三维流体流动测试和可视化分析，空间分辨率达到1mm以下。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：将后蜗壳（18）安装到光学平台（10）上，并与光学补偿模块连接为一体；

步骤2：在光学补偿盒中置入匹配液，调整V3V摄像机（2）的三镜头焦距，使其焦点位于测试区域中心，并执行空间坐标标定；

步骤3：当于计算机（14）和显示屏（13）中得到粒子图像和坐标数据后，结束标定取出匹配液并卸下光学补偿盒，安装水泵模块及前蜗壳（15）与所述后涡壳（18）组成完整的实验模型泵；

步骤4：通过所述V3V摄像机（2）进行拍摄，通过所述光学补偿模块中的激光（9）和导光臂（3）进行光学补偿，同时设置相位同步器（11）和同步器（12）以控制所述激光（9）和所述V3V摄像机（2）的拍摄时间；

步骤5：于配料罐（7）中再次通入匹配液进行粒子布撒和光路调整后，流经水泵模块进入所述实验模型泵，通过所述前蜗壳（15）上的测试面（16）测量得到粒子图像，经处理后得到体三维旋转湍动流体流动数据。

2.根据权利要求1所述的一种三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法，其特征在于，所述的步骤2中的匹配液采用纯水、碘化钠-水溶液或邻苯二甲酸二丁酯-乙醇溶液，以抵消曲界面反射和折射。

3.根据权利要求1所述的一种三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法，其特征在于，所述的步骤4中的激光（9）通过多个柱面镜、凸透镜组合后形成体光，其照射方向根据泵型设计包括正上方、正侧方或斜后方照射。

4.一种用于如权利要求1至3中任一项所述的三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法的测量装置，其特征在于，包括所述光学平台（10），所述光学平台（10）上设有泵（1）、所述光学补偿模块、所述V3V摄像机（2），所述泵（1）通过接入电机两端分别连接压力表（4），一端所述压力表（4）经阀门（5）与流量计（6）相连接，另一端所述压力表（4）依次经过缓冲罐（8）和所述配液罐（7）后与所述流量计（6）闭环连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于所述的三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法的测量装置，其特征在于，所述光学补偿模块包括激光（9）和与所述激光（9）相连接的导光臂（3），以及用于控制所述V3V摄像机（2）和所述激光（9）的所述相位同步器（11）和同步器（12）。

6.根据权利要求4所述的一种用于所述的三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法的测量装置，其特征在于，所述泵（1）包括所述前蜗壳（15）和所述后蜗壳（18），由所述前蜗壳（15）和所述后蜗壳（18）组成的结构体上设有进水口（20）和出水口（19），所述结构体内置有叶轮主轴（24）、叶轮轴承（29）和叶轮（27），并通过机械密封（23）进行整体密封，由所述叶轮主轴（24）和叶轮轴承（29）带动所述叶轮（27）转动。

7.根据权利要求6所述的一种用于所述的三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法的测量装置，其特征在于，所述前蜗壳（15）和所述后蜗壳（18）通过三脚架（17）设置于所述光学平台（10）上。

8.根据权利要求6所述的一种用于所述的三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法的测量装置，其特征在于，由所述叶轮主轴（24）伸出所述机械密封（23）的一端还套接设置有轴承。

9.根据权利要求7所述的一种用于所述的三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法的测量装置，其特征在于，所述轴承内置于同样套接设置于由所述叶轮主轴（24）伸出所述机械密封（23）的一端的轴承套（22）中，并最终通过轴承盖（25）和后盖板（26）整体封闭。

10.根据权利要求6所述的一种用于所述的三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法的测量装置，其特征在于，所述泵（1）整体内置于水箱（31）中，所述前蜗壳（15）上设有测试面（16），所述测试面（16）与所述水箱（31）之间还设有用于空间标定的靶盘（30）。

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