具有强迫过流旋转圆盘系统流动实验研究

　　1引言

　　在叶轮机械中，存在许多旋转圆盘系统，因此旋转圆盘系统间隙内的湍流流动具有巨大的研究价值。旋转圆盘问题早在1921年由VonKarman 研究“自由盘”问题开始，1951年Batchelor研究了两个旋转圆盘之间的诱导流场问题，他发现在高雷诺数时，两个圆盘之间的核心流体以固定的角速 度象刚体一样旋转[l]。1989年owen等人用线性Ekman层方程求解了旋转圆盘与静止壁之间具有过流的问题[2]。2003年e坤i-碗 ou500雌等人实验研究双旋转圆盘的情况[s]。但是目前对具有大强迫过流情况研究很少。

　　旋转圆盘系统的流动主要受间隙比G=。/R，旋转雷诺数R印=几RZ/。和流量系数Cw二Q/。R的控制。本文实验是在在 Cw=26705，G=0.0845，不同旋转雷诺数R印和具有径向向心和离心过流的旋转圆盘与静止圆盘之间的流动问题。对叶轮机械相关问题具有参考价 值。

　　2实验装置及PIV系统

　　2.1实验装置

　　图1是实验系统的示意图。钢制旋转圆盘的半径R=177.5~.静止圆盘为树脂玻璃制成.静盘中心开孔，与一直径D=90~的圆管连接并连接一 通风机，用于对动静系统间隙强制抽、送风量.圆管中装有阀门用于控制流量，设置静压和总压测量孔，用于测量流量.本文实验动静盘之间的轴向间隙，取 15nun，故间隙比为G=0.0545.

　　2·2PIV系统

　　实验所用的PW激光器为脉冲式双Nd:hg激光器，工作频率为10Hz，可见光波长为532nm，每个脉冲能量为200mJ，脉冲宽度为9ns。Plv系统的控制和分析软件为TSI公司随PW配套的InsightNT数据采集及处理软件.

　　图2为测试区域示意图。本实验在三种不同的间隙下，变流量、变转速工况下进行.实验测量所得的是瞬时速度场。

　　平均速度场通过下面的公式计算获得:

　　其中:V闰为瞬时速度.

　　涡量、湍流强度以及雷诺应力可以通过以下公式计算:

　　涡量:

　　湍流强度:

　　雷诺应力:

　　3实验结果与分析

　　3.1带有径向向内过流的流动实验结果与分析

　　图3至图12中的(a)、(b)、(e)图分别是指Re。=2·52x105、3.78x105、5.o4xlos条件T的实验结果。图3是雷 诺应力分布图。图中可以明显看到高雷诺应力区随着雷诺数的增大而增大，当雷诺数增大至R印二5.04xl沪时，高雷诺应力分布于整个间隙.图4是间隙内湍 流强度的分布情况。从图中可以发现，靠近静盘壁面有明显的低湍流强度层.随着雷诺数的增大，低湍流强度层延伸至整个静盘壁面。间隙中央区域有高湍流强度 区，且随着雷诺数的增大，湍流强度值明显增大.