离心风机叶轮出口流场的PIV实验测量与分析

　　1　前言

　　叶轮机械在非定常流工况下,由于气体参数随时间变化很迅速,所以要获得对参数的瞬时值必须采用惯性小的仪表来测量,文献[1、2]介绍了热线的方法,但这种方法并不能获得十分满意的结果。随着激光技术的发展,粒子图像速度仪(PIV)成为一种强有力的测量技术[3],因为是一种非接触式的测量,不仅可以测量静态流场,也可以测量动态流场,并且不干扰流场,这种测量技术正在受到越来越多的学者的关注。由于叶轮内部流场的复杂性[4、5],本文采用粒子图像速度仪测量了二维的瞬态速度场,并给出了分析结果。

　　2　实验装置

　　实验目的是测量离心风机叶轮出口的流场分布及其特点。

　　离心风机实验台的系统装配如图1所示。它主要包括离心风机、传动轴、扭矩测功仪、交流电动机、变频仪以及相关的PIV粒子图像测速仪等设备。

　　实验所用离心风机结构如图2所示,主要部件包括离心叶轮、扩压器、蜗壳、进口集流器、出口稳流管等。

　　为配合对各区域流场的PIV测量,离心风机整个实验段全部用透明的聚碳酸酯板或有机玻璃板制成。对于表面光洁度要求较高的部件,如蜗壳盖板、叶轮和扩压器的轮盘,由于需要经常测量,采用耐磨性较好的聚碳酸酯板制成;其余部件由于激光光路不常涉及,用较便宜的有机玻璃板制成。

　　根据文献[6],作者采用了水雾作为示踪粒子,并测得了大量的实验数据。

　　3　实验结果分析

　　对于离心叶轮而言,通常采用相对速度场研究叶轮内部流场,FlowMap软件只能提供相关分析得到的绝对速度场,因而有必要利用绝对速度数据求出相对速度场。作者编制了自己的处理软件来分析相对速度场[7、8],图3~6就是处理矢量点数据文件得到的相对速度分布图,图中表示速度大小的标尺如上方箭头所示(从进气侧看叶轮旋转方向为逆时针)。

　　尽管这些图是由压力边与吸力面两幅图拼合而成,但由它们合成的矢量图还是比较合理的。图中还可看到压力边的流速明显大于吸力边流速。

　　为比较不同工况下的流场变化情况,实验测量了多组数据。这些数据包括叶轮流道的三个不同子午面(叶轮流道内距前盖板10mm、中间面和距后盖板10mm,对应图2中的截面1、2和3)在多个转速(600r/min、800r/min、900r/min和1000r/min)和不同流量下的工况。

　　3.1　不同轴向截面处的流场比较

　　由于离心惯性力的影响,叶轮内有一个从轮盘指向轮盖的压力梯度,从而产生二次流,使低速流体微团在轮盖处积聚,边界层厚度增加,甚至发生分离。因而在叶轮轮盖侧速度比轮盘侧小。通过PIV分析,气体流动确实存在此现象。