CN116517847A - 一种离心泵叶轮内部流场稳定性实验判断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离心泵叶轮内部流场稳定性实验判断方法，包括以下步骤；判定条件一：离心泵叶轮内部流场进行模态分解后，一阶和二阶模态下叶轮流道入口处到流道中部流场标准速度V满足 且大尺度结构只出现在出口靠近压力面区域，其中Xmax为所测速度最大值，Xmin为所测速度最小值，Xi为测试点所测速度值。有益效果：用上述方法来检测离心泵叶轮内部流场的稳定性，为工程上指导泵的实际运行提供依据，从而对离心泵的性能及故障诊断进行深入分析，在很大程度上检测了泵是否稳定运行，不仅提高了泵的使用效率，也对泵起到很好的保护作用。
Description
技术领域
本发明涉及流体机械、离心泵技术领域，具体来说，涉及一种离心泵叶轮内部流场稳定性实验判断方法。
背景技术
离心泵作为通用机械已经广泛应用于国民经济的各个领域，尤其是在国防、水利、航天、石油化工等领域发挥着非常重要的作用，因此提高离心泵的效率，扩大其稳定运行范围，提高运行的安全性和可靠性，对国民经济、节约能源和环境保护有重要作用。目前很多学者对离心泵三维流动进行了数值模拟，用数值模拟方法研究离心泵叶轮内部流场已经成为改进和优化离心泵的重要手段之一。
离心泵叶轮内部流场的稳定性对于泵的性能有着极大的影响，若不稳定则可能会出现抗汽蚀性能下降，扬程出现驼峰，增加压力脉动，回流等不利影响。因此需要简单有效的判断方法来快速判断离心泵的叶轮内部流场是否处于稳定状态，从而减少因离心泵叶轮内部流场不稳定而导致泵的性能降低的现象。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种离心泵叶轮内部流场稳定性实验判断方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
一种离心泵叶轮内部流场稳定性实验判断方法，包括以下步骤；
判定条件一：离心泵叶轮内部流场进行模态分解后，一阶和二阶模态下叶轮流道入口处到流道中部流场标准速度V满足 且大尺度结构只出现在出口靠近压力面区域，其中Xmax为所测速度最大值，Xmin为所测速度最小值，Xi为测试点所测速度值；
判定条件二：流场模态分解的特征值中最大特征值λmax和最小特征值λmin的比值条件指数(CNC)是对流场误差灵敏度的反应，条件指数(CNC)/>同时时间系数经过傅里叶变换在特定频率内，一阶模态和二阶模态频谱图的幅度值均无明显峰值出现；
判定条件三：叶轮流道入口处到流道中部湍流强度系数K满足0.0001＜K＜0.0004，且在叶轮流道出口靠近压力面区域湍流强度能急剧增大，其中 是水是水平方向的速度分量，/>是铅锤方向的速度分量，Utip为叶片叶间速度；
若对于所需检测的离心泵内部流场在不同工况下，同时满足以上三条判定条件，那么离心泵内部流场处于稳定流动状态；若不满足其中任意一条判定条件，则处于不稳定流动状态。
作为优选的，还包括以下步骤；
S1：搭建离心泵内部流场稳定性检测试验台；
S2：实验检测采用不同尺寸规格的离心泵叶轮，泵盖和叶轮都是由透明有机玻璃制成，检测实验所用液体为水；
S3：利用高速相机对离心泵叶轮流道的流场进行拍摄，获得其内部速度场；
S4：对所得速度场进行模态分解后得到叶轮内部流场各阶模态图及特征值；
S5：对所得速度场使用Matlab软件得到湍流强度系数分布图；
S6：利用Matlab算法快速傅里叶变换(FFT)得到频谱图；
利用叶轮内部流场一阶和二阶模态图，湍流强度系数分布图，条件指数以及频谱图并依据上述判定条件可以快速判断泵的内部流场是否处于稳定状态。
作为优选的，应用模态分解方法剔除噪声信息对流场的干扰，包括以下步骤；
任意时刻的流场xi(如速度、压力、密度等)可以表示成基本流动(平均流)和脉动量的叠加，即：
利用模态分解表示流场的核心是将脉动量x′i通过低阶模态分解基的线性叠加进行表示，即：
其中，N为流场快照的数目，uj(x)为模态分解基，aj(i)为第i时刻的第j基的模态分解模态系数。要得到模态分解基，首先应计算相关矩阵C：C＝PTP；
P＝[x′1，x′2，...，x′N]为流场脉动量的快照按时间序列组成的矩阵，C是对称矩阵，因此特征值非负。求解C特征值问题，有：CAj＝λjAj；
λj和Aj分别对应第j个特征值和特征向量，则模态分解基定义为：
各个模态对应的模态系数为：
根据方程中特征值的大小对解进行排序，λ1＞λ2＞...＞λN≥0。
作为优选的，还包括将湍流强度系数和时间系数与流场关联，湍流强度系数K计算具体方法为：
快速傅里叶变换方法为
作为优选的，所述离心泵叶轮内部流场检测实验台包括计算机、激光器、扭矩仪、轴编码器、电机、测试泵、高速相机、压力传感器、储水箱、电子流量计、测试泵实验台，计算机分别与激光器、高速相机、压力传感器、电子流量计相连接，同步器与激光器相连接，电机通过扭矩仪与测试泵相连接，电机、扭矩仪、测试泵安装/固定于实验台上，储水箱与测试泵相连接构成回路。
本发明的有益效果为：
一、通过采用粒子图像法(PIV)获取叶轮流道的速度场并使用模态分解对离心泵叶轮内部流场进行降阶，结合MATLAB软件绘制出其内部流场的一阶和二阶模态图以及湍流强度系数分布图，同时采用MATLAB算法进行快速傅里叶变换得到频谱图，用模态图和湍流强度系数分布以及条件指数和频率分布快速判断离心泵叶轮内部流场是否处于稳定状态。用上述方法来检测离心泵叶轮内部流场的稳定性，为工程上指导泵的实际运行提供依据，从而对离心泵的性能及故障诊断进行深入分析，在很大程度上检测了泵是否稳定运行，不仅提高了泵的使用效率，也对泵起到很好的保护作用。
二、本方法能够更加直观的对离心泵叶轮内部流场稳定性作出判断，方法简单明了，免去了画网格，流动数值模拟等繁琐的操作，节省了时间，且判断结果较为准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是根据本发明实施例对离心泵内部流场稳定性实验判断方法实现的流程示意图；
图2是根据本发明实施例离心泵内部流场稳定性判断的实验装置图；
图3是根据本发明实施例离心泵测试叶轮示意图；
图4是根据本发明实施例具体应用场景中在1.0QBEP流量下模态分解所得离心泵叶轮内部流场稳定状态下一阶和二阶模态图；
图5是根据本发明实施例具体应用场景中在1.0QBEP流量下离心泵叶轮内部流场稳定状态下湍流强度系数分布图；
图6是根据本发明实施例具体应用场景中在0.6QBEP流量下模态分解所得离心泵叶轮内部流场不稳定状态下一阶和二阶模态图；
图7是根据本发明实施例具体应用场景中在0.6QBEP流量下离心泵叶轮内部流场不稳定状态下湍流强度系数分布图；
图8是根据本发明实施例具体应用场景中与流量的变化规律图；
图9是根据本发明实施例具体应用场景中在0.6QBEP流量下离心泵叶轮内部流场不稳定状态下一阶和二阶模态频谱图；左为一阶和二阶模态的时间系数；右为一阶和二阶模态的FFT分布。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
根据本发明的实施例，提供了一种离心泵叶轮内部流场稳定性实验判断方法。
实施例一；
如图1-9所示，根据本发明实施例的离心泵叶轮内部流场稳定性实验判断方法，包括以下步骤；
步骤S1：搭建离心泵内部流场稳定性检测试验台；
步骤S2：实验检测采用不同尺寸规格的离心泵叶轮，泵盖和叶轮都是由透明有机玻璃制成，检测实验所用液体为水；
步骤S3：利用高速相机对离心泵叶轮流道的流场进行拍摄，获得其内部速度场；
步骤S4：对所得速度场进行模态分解后得到叶轮内部流场各阶模态图及特征值；
步骤S5：对所得速度场使用Matlab软件得到湍流强度系数分布图；
步骤S6：利用Matlab算法快速傅里叶变换(FFT)得到频谱图；
判定条件一：离心泵叶轮内部流场进行模态分解后，一阶和二阶模态下叶轮流道入口处到流道中部流场标准速度V满足 且大尺度结构只出现在出口靠近压力面区域，其中Xmex为所测速度最大值，Xmin为所测速度最小值，Xi为测试点所测速度值；
判定条件二：流场模态分解的特征值中最大特征值λmax和最小特征值λmin的比值条件指数(CNC)是对流场误差灵敏度的反应，条件指数(CNC)/>同时时间系数经过傅里叶变换在特定频率内，一阶模态和二阶模态频谱图的幅度值均无明显峰值出现；
判定条件三：叶轮流道入口处到流道中部湍流强度系数K满足0.0001＜K＜0.0004，且在叶轮流道出口靠近压力面区域湍流强度能急剧增大，其中 是水是水平方向的速度分量，/>是铅锤方向的速度分量，Utip为叶片叶间速度；
若对于所需检测的离心泵内部流场在不同工况下，同时满足以上三条判定条件，那么离心泵内部流场处于稳定流动状态；若不满足其中任意一条判定条件，则处于不稳定流动状态。
实施例二；
如图2所示，所述离心泵叶轮内部流场检测实验台包括计算机、激光器、扭矩仪、轴编码器、电机、测试泵、高速相机、压力传感器、储水箱、电子流量计、测试泵实验台，计算机分别与激光器、高速相机、压力传感器、电子流量计相连接，同步器与激光器相连接，电机通过扭矩仪与测试泵相连接，电机、扭矩仪、测试泵安装/固定于实验台上，储水箱与测试泵相连接构成回路。
该叶轮的几何参数为：叶片数5片，叶片宽度为7mm，叶片厚度为4mm，叶片进口对应直径为56mm，叶轮叶片出口对应直径为142mm。
实施例三；
如图4所示，具体应用场景中在1.0QBEP流量下对所得速度场进行模态分解后得到叶轮内部流场一阶和二阶模态图，在一阶和二阶模态下叶轮流道入口处到流道中部流场标准速度均处于0.001到0.004之间，且大尺度结构只出现在出口靠近压力面区域；
如图5所示，具体应用场景中在1.0QBEP流量下对所得速度场使用Matlab软件得到湍流强度系数分布图，叶轮流道入口处到流道中部湍流强度系数K均处于0.0001到0.0004之间，且在叶轮流道出口靠近压力面区域湍流强度系数急剧增大。
如图6所示，具体应用场景中在0.6QBEP流量下对所得速度场进行模态分后得到叶轮内部流场一阶和二阶模态图，明显可以观察到其大尺度结构分布范围较广，且主要出现在叶轮流道入口和流道中部，不符合判定条件一，故处于不稳定状态。
如图7所示，具体应用场景中在0.6QBEP流量下对所得速度场使用Matlab软件得到湍流强度系数K分布图，可以观察到其湍流主要聚集在叶轮流道入口和出口区域。
如图8所示，具体应用场景中各个流量下条件指数(CNC)的曲线图，明显看到在1.0QBEP时CNC＜500，其他工况均大于500。
如图9所示，应用场景中在0.6QBEP流量下对所得速度场使用Matlab算法快速傅里叶变换(FFT)得到频谱图，可以明显观察到一阶模态和二阶模态频谱的幅度值均有峰值出现，故处于不稳定状态。
可以明显的看出0.6QBEP状态下并不符合上述三个判定条件，故该离心泵叶轮内部流场处于不稳定状态，1.OQQBEP符合上述判定条件，故处于稳定状态。
用上述方法来检测离心泵叶轮内部流场的稳定性，为工程上指导泵的实际运行提供依据，从而对离心泵的性能及故障诊断进行深入分析，在很大程度上检测了泵是否稳定运行，不仅提高了泵的使用效率，也对泵起到很好的保护作用。并且能够更加直观的对离心泵叶轮内部流场稳定性作出判断，方法简单明了，免去了画网格，流动数值模拟等繁琐的操作，节省了时间，且判断结果较为准确。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过采用粒子图像法(PIV)获取叶轮流道的速度场并使用模态分解对离心泵叶轮内部流场进行降阶，结合MATLAB软件绘制出其内部流场的一阶和二阶模态图以及湍流强度系数分布图，同时采用MATLAB算法进行快速傅里叶变换得到频谱图，用模态图和湍流强度系数分布以及条件指数和频率分布快速判断离心泵叶轮内部流场是否处于稳定状态。用上述方法来检测离心泵叶轮内部流场的稳定性，为工程上指导泵的实际运行提供依据，从而对离心泵的性能及故障诊断进行深入分析，在很大程度上检测了泵是否稳定运行，不仅提高了泵的使用效率，也对泵起到很好的保护作用。本方法能够更加直观的对离心泵叶轮内部流场稳定性作出判断，方法简单明了，免去了画网格，流动数值模拟等繁琐的操作，节省了时间，且判断结果较为准确。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (5)
1.一种离心泵叶轮内部流场稳定性实验判断方法，其特征在于，包括以下步骤；
判定条件一：离心泵叶轮内部流场进行模态分解后，一阶和二阶模态下叶轮流道入口处到流道中部流场标准速度V满足 且大尺度结构只出现在出口靠近压力面区域，其中Xmax为所测速度最大值，Xmin为所测速度最小值，Xi为测试点所测速度值；
判定条件二：流场模态分解的特征值中最大特征值λmax和最小特征值λmin的比值条件指数是对流场误差灵敏度的反应，条件指数/>同时时间系数经过傅里叶变换在特定频率内，一阶模态和二阶模态频谱图的幅度值均无明显峰值出现；
判定条件三：叶轮流道入口处到流道中部湍流强度系数K满足0.0001＜K＜0.0004，且在叶轮流道出口靠近压力面区域湍流强度能急剧增大，其中是水是水平方向的速度分量，/>是铅锤方向的速度分量，Utip为叶片叶间速度；
若对于所需检测的离心泵内部流场在不同工况下，同时满足以上三条判定条件，那么离心泵内部流场处于稳定流动状态；若不满足其中任意一条判定条件，则处于不稳定流动状态。
2.根据权利要求1所述的一种离心泵叶轮内部流场稳定性实验判断方法，其特征在于，还包括以下步骤；
S1：搭建离心泵内部流场稳定性检测试验台；
S2：实验检测采用不同尺寸规格的离心泵叶轮，泵盖和叶轮都是由透明有机玻璃制成，检测实验所用液体为水；
S3：利用高速相机对离心泵叶轮流道的流场进行拍摄，获得其内部速度场；
S4：对所得速度场进行模态分解后得到叶轮内部流场各阶模态图及特征值；
S5：对所得速度场使用Matlab软件得到湍流强度系数分布图；
S6：利用Matlab算法快速傅里叶变换(FFT)得到频谱图；
利用叶轮内部流场一阶和二阶模态图，湍流强度系数分布图，条件指数以及频谱图并依据上述判定条件可以快速判断泵的内部流场是否处于稳定状态。
3.根据权利要求2所述的一种离心泵叶轮内部流场稳定性实验判断方法，其特征在于，应用模态分解方法剔除噪声信息对流场的干扰，包括以下步骤；
任意时刻的流场xi(如速度、压力、密度等)可以表示成基本流动(平均流)和脉动量的叠加，即：
利用模态分解表示流场的核心是将脉动量x′i通过低阶模态分解基的线性叠加进行表示，即：
其中，N为流场快照的数目，uj(x)为模态分解基，aj(i)为第i时刻的第j基的模态分解模态系数，要得到模态分解基，首先应计算相关矩阵C：C＝PTP；
P＝[x′1，x′2，...，x′N]为流场脉动量的快照按时间序列组成的矩阵，C是对称矩阵，因此特征值非负，求解C特征值问题，有：CAj＝λjAj；
λj和Aj分别对应第j个特征值和特征向量，则模态分解基定义为：
各个模态对应的模态系数为：
根据方程中特征值的大小对解进行排序，λ1＞λ2＞…＞λN≥0。
4.根据权利要求2所述的一种离心泵叶轮内部流场稳定性实验判断方法，其特征在于，还包括将湍流强度系数和时间系数与流场关联，湍流强度系数K计算具体方法为：
快速傅里叶变换方法为
5.根据权利要求2所述的一种离心泵叶轮内部流场稳定性实验判断方法，其特征在于，所述离心泵叶轮内部流场检测实验台包括计算机、激光器、扭矩仪、轴编码器、电机、测试泵、高速相机、压力传感器、储水箱、电子流量计、测试泵实验台，计算机分别与激光器、高速相机、压力传感器、电子流量计相连接，同步器与激光器相连接，电机通过扭矩仪与测试泵相连接，电机、扭矩仪、测试泵安装/固定于实验台上，储水箱与测试泵相连接构成回路。
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| CN117536891A (zh) * | 2023-12-25 | 2024-02-09 | 犇流泵业科技(嘉兴)股份有限公司 | 一种磁悬浮式磁力驱动离心泵的参数优化方法及系统 |
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| CN117536891A (zh) * | 2023-12-25 | 2024-02-09 | 犇流泵业科技(嘉兴)股份有限公司 | 一种磁悬浮式磁力驱动离心泵的参数优化方法及系统 |
| CN117536891B (zh) * | 2023-12-25 | 2024-04-09 | 犇流泵业科技(嘉兴)股份有限公司 | 一种磁悬浮式磁力驱动离心泵的参数优化方法及系统 |
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