一种混流泵叶片轮缘间隙流场的3D-PIV测量装置及方法

摘要

本发明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，包括泵轴、叶轮、导叶、转轮室段、导叶出口管段以及3D‑PIV测量系统，叶轮和导叶通过泵轴连接在一起，所述叶轮前端安装有转轮室段，导叶端安装有导叶出口管段；转轮室段与导叶出口管段连接构成混流泵泵体，转轮室段与导叶出口管段内部平滑过渡形成光滑整体，转轮室段为透明材质制成，转轮室段外侧设有三棱柱凸起；3D‑PIV测量系统包括CCD相机、片光源激光器和计算机，所述CCD相机、片光源激光器分别和计算机相连，实现了混流泵叶片轮缘间隙三维流场的拍摄，真实、全面反映了混流泵叶片轮缘间隙流场。

说明书

技术领域

本发明属于流体机械(泵)内部流动技术领域，尤其涉及一种混流泵叶片轮缘间隙流场的3D-PIV测量装置及方法。

背景技术

混流泵由于流量大和扬程适中，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。然而，混流泵的结构特殊，流体沿叶轮进口轴向吸入，斜向流出，叶轮端壁区曲率影响大。同时，混流泵的叶轮叶片的轮缘和转轮室端壁之间存在一个微小的间隙，容易引起间隙射流和轮缘泄漏流，增加叶轮内流体的能量损失，造成混流泵性能的下降。为了研究间隙流场的作用原理需要对混流泵的轮缘间隙流场进行无干扰测量。

目前，无侵入式的测量技术已经运用在混流泵内部流场的研究当中，其中，3D-PIV(Three-dimensional Particle Image Velocity)，即三维粒子图像测速技术是近年来发展起来的一种新型内部流动测试技术，它在二维PIV(2D-PIV)技术的基础上发展而来，改善了2D-PIV只能拍摄二维平面内流体速度的缺点，利用多点测量和空间三维重建获得拍摄截面内的三维速度场，可以较好的测量流体机械内部流场。

虽然现阶段PIV测量技术已经运用在混流泵内部流场的研究当中，但用于捕捉混流泵轮缘间隙流场的难度较大，且转轮室内壁存在光折射和反光问题，使用目前的测量技术和手段精度低、效果差。因此，需要设计一种新的测量装置和方法来测量混流泵的轮缘间隙流场。

目前，相关的申报专利有：一种混流泵叶轮出口流场的PIV测量装置及方法(CN201510575312.X)，该专利是通过在后置出口管段管壁上开设圆孔进行混流泵出口流场的测量。但该装置和方法只能应用在混流泵二维流场的拍摄，且无法实现混流泵轮缘间隙流场的测量。一种用于轴流泵叶轮进口横截面PIV流场测量的进口装置(CN201310117499)，该专利也仅实现了叶轮进口轴截面的二维流场测量，并且改变了实验管路内部结构使得原始流场的测量被干扰。一种用于三维PIV测量的离心泵(CN201010520430.8)虽然也采用了三维PIV测量技术，但该专利的装置结构无法用于混流泵模型，更加无法用于混流泵轮缘间隙流场的拍摄。上述专利均未能解决混流泵轮缘间隙流场的拍摄问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有PIV测量方法不能实现混流泵轮缘间隙流场测量的缺陷，提供一种混流泵叶片轮缘间隙流场的3D-PIV测量装置及方法，实现混流泵叶片轮缘间隙流场的捕捉。

本发明是通过以下技术手段实现上述目的的。

一种混流泵叶片轮缘间隙流场的3D-PIV测量装置，包括：泵轴、叶轮、导叶、转轮室段、导叶出口管段以及3D-PIV测量系统，所述叶轮和导叶通过泵轴连接在一起，所述叶轮前端安装有转轮室段，所述导叶端安装有导叶出口管段；所述转轮室段与导叶出口管段连接构成混流泵泵体，转轮室段与导叶出口管段内部平滑过渡形成光滑整体，所述转轮室段为透明材质制成，所述转轮室段外侧设有三棱柱凸起；所述3D-PIV测量系统包括CCD相机、片光源激光器和计算机，所述CCD相机、片光源激光器分别和计算机相连。

进一步，所述转轮室段内部形状在叶轮进口前段为近似直管圆形，在叶轮顶端为直径沿液流方向逐渐增大的圆形，其外部形状是下部为方形，上部为与内部直径变化一致的圆形；

进一步，在转轮室段外部对应叶轮端部处设置三棱柱凸起；所述三棱柱凸起外侧的四边形面和圆环管路的外环面相切且和竖直平面呈一个锐角，所述三棱柱凸起内侧四边形面与该三棱柱凸起外侧四边形面垂直相交；

进一步，所述三棱柱形凸起有2个且沿泵轴所在的竖直平面呈对称分布，所述2个三棱柱凸起之间有一间隙；所述间隙的宽度在1～3mm之间；

进一步，所述CCD相机拍摄方向垂直于三棱柱形凸起的外侧四边形面，所述片光源激光器正对所述间隙发出激光面；

进一步，所述转轮室段的材质选用聚甲基丙烯酸甲酯制成；

进一步，所述转轮室段与导叶出口管段通过螺杆连接，形成完整的泵体；

一种混流泵叶片轮缘间隙流场的3D-PIV测量方法，包括以下步骤：

步骤1，配置和转轮室段采用材质折射率相近的碘化钠溶液作为混流泵运输介质，选取平均直径为13μm、比重1.6的镀银中空玻璃球作为示踪粒子；

步骤2，将片光源激光器置于转轮室段的正上方，片光源激光器发射出厚度为0.5mm～1mm且穿过泵轴轴心的激光面，所述激光面位于所述两个三棱柱凸起之间小间隙的中部，所述小间隙有利于所述激光面进行定位；

步骤3，将两台CCD相机的镜头分别垂直正对所述两个三棱柱凸起外侧的四边形面，所述两台CCD相机与泵轴所在的竖直平面呈对称分布，且所述两台CCD相机镜头的延长线交汇于一点，所述延长线之间的角度α的范围小于120°；

步骤4，对被测流场进行标定，通过计算机记录标定数据，当所述片光源激光器发射出激光面时，所述两台CCD相机同时曝光拍摄，通过所述计算机对拍摄的照片进行后处理，获得混流泵叶片轮缘间隙的三维流场分布。

本发明的有益效果：

在叶片轮缘端壁外设置两个三棱柱凸起并使外侧四边形拍摄面近似平行于端壁内部圆弧面，有效消弱了曲率的影响；三棱柱凸起内外侧四边形面垂直相交并可以沿圆周方向移动，两个三棱柱凸起之间设置小间隙，可以实现不同角度的拍摄，减小激光折射和消耗，精确定位片光源激光器发射的激光面；实验测量中选择碘化钠(NaI)溶液和镀银中空玻璃球作为示踪粒子，有效消弱了光折射的问题；新型结构设计不改变原有混流泵转轮室的内部结构，实现了混流泵叶片轮缘间隙三维流场的拍摄，成像质量好、测量精度高，真实、全面反映了混流泵叶片轮缘间隙流场。

附图说明

图1是本发明所述一种混流泵叶片轮缘间隙流场的3D-PIV测量装置示意图；

图2是本发明所述一种混流泵叶片轮缘间隙流场的3D-PIV测量装置侧视图；

图3是本发明所述一种混流泵叶片轮缘间隙流场的3D-PIV测量装置剖视图；

图4是本发明所述透明转轮室段A向示意图；

图中，1.叶轮，2.泵轴，3.转轮室段，4.导叶出口管段，5.导叶，6.CCD相机，7.片光源激光器，8.激光面，9.圆环管路，10.法兰盘，11.三棱柱凸起，12.通孔，13.方形底座，14.间隙，15.计算机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种混流泵叶片轮缘间隙流场的3D-PIV测量装置，包括：泵轴2、叶轮1、导叶5、转轮室段3、导叶出口管段4以及3D-PIV测量系统，叶轮1和导叶5通过泵轴2连接在一起，叶轮1前端安装有转轮室段3，导叶5端安装有导叶出口管段4；转轮室段3与导叶出口管段5连接构成混流泵泵体，转轮室段3与导叶出口管段5内部平滑过渡形成光滑整体，转轮室段3为透明材质制成，转轮室段3外侧设有三棱柱凸起11；3D-PIV测量系统包括2台CCD相机6、1台片光源激光器7和1台计算机15，2台CCD相机6、1台片光源激光器7分别和计算机15相连。

如图3所示，转轮室段3的一端设有法兰盘10，另一端为方形连接段，法兰盘10用于与外部管路连接，转轮室段3的方形连接段与导叶出口管段4均开设有用于互相连接的4个通孔12，转轮室段3和导叶出口管段4的通孔12一一对应且通过螺杆连接，转轮室段3与导叶出口管段4相互贴合且做密封处理。

如图2所示，导叶出口管段4位于所述转轮室段3的下游，其内部截面为直径沿着轴线方向非均匀变化的圆形，其外部截面为正方形；转轮室段3由无色的聚甲基丙烯酸甲酯制成透明的，转轮室段3外部形状在叶轮进口前段为近似直管圆形，在叶轮顶端为直径沿液流方向逐渐增大的圆形，其外部形状下部为方形底座13，上部为与内部直径变化一致的圆形，所述圆形为环形管路9，如图4，所述圆环管路9上设置2个用于轮缘间隙流场拍摄的三棱柱形凸起11，在转轮室段3外部对应叶轮1端部处设置三棱柱凸起11；所述三棱柱凸起11外侧的四边形面和圆环管路9的外环面相切且和竖直平面呈一个锐角，所述三棱柱凸起11内侧四边形面与三棱柱凸起11的外侧四边形面垂直相交；三棱柱形凸起11沿泵轴所在的竖直平面呈对称分布，两个三棱柱凸起之间有一间隙14；所述间隙14的宽度在1～3mm之间；2个CCD相机6拍摄方向垂直于三棱柱形凸起11的外侧四边形面，垂直于三棱柱形凸起11的外侧四边形面，避免内侧四边形面发生光线折射影响拍摄精度和质量。所述片光源激光器7正对所述间隙14发出激光面，间隙14可以有效节省转轮室段3材料的使用，并有效减小激光的损耗。另外，2个三棱柱凸起11可以根据拍摄角度需要沿着圆周方向进行移动并保持三棱柱凸起11外侧四边形面和所述圆环管路9的外环面始终相切，三棱柱凸起11的轴截面沿着轴线方向逐渐成比例增大以保证所述转轮室段3的厚度沿着轴线方向均匀变化。

该装置的测试方法为：

步骤一：配置和所述转轮室段3采用的与无色聚甲基丙烯酸甲酯材质折射率相近的碘化钠(NaI)溶液作为混流泵运输介质。选取平均直径为13μm、比重1.6的镀银中空玻璃球作为示踪粒子，试验中通过调整粒子浓度，保证拍摄效果。

步骤二：将片光源激光器7置于所述转轮室段3的正上方，所述片光源激光器7发射出厚度为0.5mm～1mm且穿过泵轴2轴心的激光面8，所述激光面8位于所述两个三棱柱凸起11之间间隙14的中部，所述间隙14有利于所述激光面8进行定位。

步骤三：将2台CCD相机6的镜头分别垂直正对所述两个三棱柱凸11起外侧的四边形面，所述两台CCD相机6与泵轴2所在的竖直平面呈对称分布，且所述两台CCD6相机镜头的延长线交汇于一点，所述延长线之间的角度α的范围小于120°。

步骤四：采用对被测流场进行标定，通过所述计算机15记录标定数据。当所述片光源激光器7发射出激光面8时，所述两台CCD相机6同时曝光拍摄。之后，通过所述计算机15对拍摄的照片进行后处理，获得混流泵叶片轮缘间隙的三维流场分布。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。