基于3DPIV测试的低比速长短叶片离心泵内部湍流研究

采用长短叶片是低比速离心泵的重要设计方法。但目前复合叶轮离心泵设计主要依经验或势流理论分析，实验主要局限在水泵外特性。有关长短叶片相干结构、分流短叶片的设计准则、复合叶轮几何参数与泵外特性的理论表达、短叶片几何特征对叶轮内部流动影响等问题研究很不充分。利用现代测试技术研究其内部湍流，是完善复合叶轮设计理论的有效途径。. 本课题研究将运用现代非接触式瞬态流场激光测速技术（三维粒子图像速度仪3DPIV）开展低比速复合叶轮离心泵内部三维流场单因素、多因素正交实验研究，探求旋转叶轮叶槽内流体受哥氏力、曲率、离心力和在逆压梯度作用下的壁面分离流拟序结构、湍流涡量场、速度场和压力场分布，研究长短叶片几何参数（进口截圆直径、叶片安放角、叶片数、叶片偏置角等）不同组合对叶轮内流场的影响规律，建立内外特性参数与长短叶片翼型设计参数之间数学表达，提出复合叶轮离心泵优化设计方法。

低比速离心泵在航天、石油化工、轻工、城市煤气输送等领域应用广泛。低比速离心泵具有流量小、扬程高的特点。但按传统的设计方法，低比转速离心泵存在效率偏低、扬程流量曲线易出现驼峰、小流量工况易产生不稳定、功率流量曲线随流量增大上升急剧、在大流量区电机易过载等问题。.　　　采用长短叶片是低比速离心泵的重要设计方法。但目前复合叶轮离心泵设计主要依经验或势流理论分析，实验主要局限在水泵外特性。有关长短叶片相干结构、分流短叶片的设计准则、复合叶轮几何参数与泵外特性的理论表达、短叶片几何特征对叶轮内部流动影响等问题研究很不充分。利用现代测试技术研究其内部湍流，是完善复合叶轮设计理论的有效途径。.　　　本课题研究将运用现代非接触式瞬态流场激光测速技术（三维粒子图像速度仪3DPIV）开展低比速复合叶轮离心泵内部三维流场单因素、多因素正交实验研究，探求旋转叶轮叶槽内流体受哥氏力、曲率、离心力和在逆压梯度作用下的壁面分离流拟序结构、湍流涡量场、速度场和压力场分布，研究长短叶片几何参数（进口截圆直径、叶片安放角、叶片数、叶片偏置角等）不同组合对叶轮内流场的影响规律，建立内外特性参数与长短叶片翼型设计参数之间数学表达，提出复合叶轮离心泵优化设计方法。.　　　通过数值模拟技术，发现在叶轮叶片入口处，压力面的相对速度低于吸力面相对速度；在叶轮出口处，小流量与设计工况下，长叶片吸力面处有小范围的脱流，大流量下，叶槽内其吸力面处亦有边界层分离之趋势。各叶轮内部的流场都具有非对称性，说明蜗壳对叶轮内流场的影响是不容忽视的。系列长短叶片复合叶轮外特性正交试验发现影响效率的主要因素为短叶片进口偏置角，而影响扬程的主要因素为短叶片进口直径；扬程、效率最佳组合为短叶片进口直径D’ 为0.4(D2－D1)+D1、进口偏置角θ1为10°和出口偏置角θ2为0°。PIV正交测试同样直观揭示了叶轮内流场的非对称性和非均匀性特点。认为短叶片形状、位置对叶轮内流场有显著影响，当D’ = 0.5(D2－D1)+D1或D’ =0.4(D2－D1)+D1、θ1 = 10°、θ2 = 0°或θ2 =5°时，叶轮内流场流态较良好。外特性测试与PIV测试存在一定差异，但所揭示的规律基本一致。.　　　本课题研究是构建复合叶轮离心泵设计理论的关键基础研究，对改进高性能低比速长短叶片叶轮离心泵设计方法，具有重要的理论和应用价值。