流体力学是能源与动力工程、船舶与海洋工程等专业本科生必修的基础课,离心泵是流体力学理论知识较为典型的应用,其工作原理是利用叶片带动内部流体旋转,产生离心力,使流体获得压力能和动能^[1]。流体在泵内的流动非常复杂,既有随叶轮旋转的圆周运动,又有相对叶轮的相对运动。输送固液两相介质时,除了上述两种运动,还存在两相之间的速度差^[1]。在课堂上,这些较微观的流动变化是通过相关公式讲授的,理论性强,学生理解起来不直观,难以激起学习的兴趣。如果让学生能观察到这些微观的变化,再配合课堂的讲解,肯定能起到事半功倍的效果,更能巩固学生对相关理论知识的理解。

很多学者对流体力学中的相关理论知识点进行了很好的实验教学探索^[2-4],对本文的写作具有非常好的借鉴意义,但关于离心泵的内部流动情况还未见相关的实验教学文献。本文尝试将粒子图像测速技术应用在离心泵的实验教学中,将离心泵内部流动呈现在学生面前,期待其成为流体力学离心泵部分课堂讲授很好的补充。

在流场中撒入一定量的、颗粒极小的、跟随性和散射性良好的示踪粒子,激光发生器发出的片光源射入到特定区域,用高频相机拍摄下间隔极短的曝光时的示踪粒子图像,再通过对两幅图像采用相关性处理技术分析,得到流场中各粒子在一个平面内的速度矢量场^[5-9]。粒子图像测速工作原理如图1所示。

粒子图像测速技术需要用高频相机捕捉到离心泵内部流动的示踪粒子,所以要将离心泵做成透明的,但在实验设计过程中发现,若是按照离心泵实体结构去制作透明离心泵,用相机去拍摄内部流动时,都是有遮挡的,教材中离心泵的结构如图2所示^[1]。

根据图2左边剖视图可以发现,无论将粒子图像测速放置在哪个方位都无法完整地拍摄到叶轮内部的流场,若将粒子图像测速相机放置在离心泵入口拍摄,入口管中的示踪粒子就与叶轮中的示踪粒子重合,无法分辨分属于哪个流域的示踪粒子,若将粒子图像测速相机放置在离心泵的输入轴侧,后面的泵轴电机等驱动装置挡住叶轮区域,阻挡面积比入口的还要大。后经多次方案比较后,最终采用的是对透明泵进行相应的改造,将泵入口改至泵轴侧,才能将叶轮区域全部无遮挡地呈现出来,能非常好地观察整个流场,改造后的透明泵如图3所示。整个粒子图像测速透明泵实验台包括激光发生器、高频相机、同步控制器、透明泵、输送管路、电机调速装置、图像和数据处理计算机等,如图4所示。

电机调速装置中的电机轴末端装有编码器,该编码器与粒子图像测速系统上安装的同步控制器相连。实验前,先用手转动离心泵输入轴,找到合适的叶轮角度,将该角度设定在编码器中,待离心泵按照实验转速转动后,每当叶轮旋转到该角度时,编码器就会向同步控制器发出脉冲信号,同步控制器会在间隔极短的时间分两次同时向激光发生器和高频相机发出触发命令,这样可获得叶轮流道内间隔极短的两张图像。

本次实验主要是利用粒子图像测速技术让学生了解离心泵输送清水和固液两相这两种工况下的内部流动情况。

(1)为了让学生有感官上的认知,本次实验先安排了流动现象观察实验,从宏观层面观察输送清水或固液两相时离心泵内部流动情况。

(2)待学生对内部流动有了视觉上的了解后,再对内部流场进行粒子图像测速技术的测量,让学生从微观层面了解内部流动,与课堂知识结合起来,安排2次实验。

2.2.1 输送清水,流体在叶轮中的运动和速度三角形的测量实验

泵内流体微团的运动主要有：圆周运动$u$,相对运动$\omega$和绝对运动$v$,其中绝对运动是圆周运动和相对运动的矢量和。本实验用泵内某一流体微团的三种运动示意图可用图5所示。

三种速度构成速度三角形,如图6所示(为了便于表达,将粒子位置置于原点)。本次实验中粒子图像测速拍摄的图像进行处理得到的是各示踪粒子的绝对速度$v$的分布,圆周速度$u$根据式(1)可以计算出来,将测得的绝对速度$v$和计算的圆周速度$u$分别在$X$和$Y$方向正交分解,根据图6可以方便地计算出相对速度$\omega$在$X$和$Y$向的分量。通过本例学生可以快速掌握离心泵速度三角形的构成。

圆周速度u的大小可以用式(1)求出,方向沿示踪粒子所在坐标的圆周切线

式中,$n$表示叶轮转速,r/min;$X_{1}$和$Y_{1}$表示示踪粒子的坐标;$X_{0}$和$Y_{0}$表示离心泵中心坐标。

2.2.2 输送固液两相,两相间的相对速度的测量实验

固液两相输送时的泵内流场更加复杂,颗粒在液相裹挟下运动,受到水下重力、离心力、液体黏性力、Basset力、附加质量力、Megnus力和Saffman力的多重作用。颗粒较小时,其与液相跟随性好,而颗粒较大时,颗粒的惯性力对固体颗粒运动产生作用,固液两相速度差变得显著,颗粒的运动也开始偏离液体运动方向,这些理论在教材及文献中,往往只是通过抽象的公式或文字进行表述,学生不易理解。本实验中,学生通过亲手操作,对拍摄图片直观观察,并结合液相、固相速度场的比较,可以清晰地了解两相速度差,再从中提取两相速度,更容易理解速度滑移。

2.3.1 流动现象观察实验

(1)输送清水流动实验

离心泵输送清水时,在清水中加定量的示踪粒子,调节离心泵的不同转速,通过观察示踪粒子在泵内的运动情况,因示踪粒子颗粒小、跟随性非常好,示踪粒子的运动就可代表清水的运动,离心泵慢速时,观察得比较清楚。

(2)输送两相流动实验

为了模拟泵内输送的固体,既要保持管道内流体的清洁度,又要防止离心泵的磨损,所以新购置了0.2~5.0 mm直径不等的透明玻璃珠。学生做相关实验时,先给定离心泵转速,待清水有流动速度后,再将不同直径、不同质量或者两者组合的透明玻璃珠逐渐加入管路中,模拟离心泵输送不同颗粒、不同浓度固体的流动情况。

离心泵输送清水、固液两相实验的相关照片差别还是很明显的,区别大,学生才能获得感官上的触动,具体如图7所示。

2.3.2 复杂流场测量实验

(1)输送清水流动速度场

本文以转速为500 r/min,流量$Q_0=9.85$ m$^{3}$/h时(9.85 m$^{3}$/h,是该离心泵500 r/min输送清水时,最高效率点对应的流量)的泵内绝对速度$v$ (图8)和叶轮域相对速度$\omega$ (图9)加以展示。

观察图8可以发现：由于叶轮的驱动作用,绝对速度方向与叶轮旋转方向一致;叶轮旋转域以内,绝对速度沿着叶轮方向,逐步增加;叶轮出口处,绝对速度沿着叶轮切线方向甩出。

观察图9可以发现：叶轮吸力面的相对速度略高于压力面的相对速度;由于流道的扩算作用,叶轮流道的前半段的相对速度高于后半段的相对速度。

(2)输送两相流动速度场

在一组拍摄的照片处理中,粒子图像测速技术能很好地处理出液相和固相。本次实验以输送0.2~0.4 mm玻璃珠的某一个工况展示固液两相流动相对速度差的情况,如图10所示,在一个流道沿径向选取6个截面,每个截面选取3个测量点,分别是靠近吸力面的点、流道中间点和靠近压力面的点。能清晰地查看出两者在各个测量点的速度差,通过亲手实际操作,学生对离心泵输送固液两相的理解才会加深。

观察图10发现：各测量点间的固液两相速度变化趋势基本相同;由于叶轮壁面的主导作用,致使吸力面和压力面固液两相的相对速度基本相同;在中间面,由于颗粒惯性力的原因,固相速度明显大于液相速度。

(1)在离心泵输送实验前,通过离心泵实体模型的讲解,让学生了解离心泵的相关结构、工作原理以及电机、联轴器、输送管道等配套组件,对离心泵的具体使用情况有更全面的了解。

(2)在离心泵输送清水实验时,让学生按兴趣分组,分别根据指导书充分熟悉叶轮调速、管道流量调节、激光发生器的开关、相机拍摄软件的相关操作等工作,以免后续实验过程中出现错误操作。这个实验过程可能要长一点,多做几种工况,增加学生动手能力和团队配合协调能力。

(3)通过做清水和固液两相的输送实验,并加以速度场分析,让学生了解离心泵内流体的运动情况,旋转运动、相对运动和固液两相存在的速度差等,对离心泵的认识会更深,还可以启发相关学生研究的兴趣,后续如果深造的话,可选择类似方向。

将科研中所用的粒子图像测速先进技术应用于实验教学,不仅能使学生观察外在的物理现象,还能使学生深入了解抽象的内部流动状态。内部流动状态是外在物理现象的内因,是学生更需要理解的知识点。实验教学平台和科研平台结合起来,不断创新,既辅助课堂教学,更能提前培养学生的科研兴趣和能力,为学生的进一步深造起到很大帮助。