李 釗，倪福生，朱小偉，顧 磊

（1.河海大學機電工程學院，江蘇 常州 213022；2.河海大學疏浚技術教育部工程研究中心，江蘇 常州 213022）

0 引言

泥泵是挖泥船作業(yè)中的重要設備之一。由于泥泵內部固液兩相流動的復雜性，人們對泥泵內部固體顆粒流動規(guī)律的認識存在差異，泥泵的設計一直以清水工況為主[1]。設計開發(fā)了一款能夠全域觀察內部流動情況的全透明泥泵，用于研究泥泵內部的流動規(guī)律。為了能夠拍攝整個泥泵內部的圖像，將泵的入口流道與驅動軸置于同一側，滿足了PIV全域測量的要求。

1 模型泵結構特點及水力特性

模型泵的泵軸穿過入口流道，為避免泵軸轉動帶動流體旋轉而惡化入水流態(tài)，在泵軸上增加軸套，水流沿軸套外環(huán)形通道進入葉輪，模型泵的另一側加工成便于成像的平面，其結構如圖1所示。

圖1 模型泵入口流道結構

為提高強度，有機玻璃葉輪采用整體式結構，泵軸與葉輪之間用螺紋傳遞力矩，前蓋板與葉輪主體通過膠粘連接，葉片形狀為圓柱形，3片，如圖2所示。綜合流量、轉矩等多個因素，確定模型泵尺寸：葉輪直徑為200mm，葉輪寬度為25mm；由于有機玻璃的強度不高，泥泵的設計轉速為1 000r／min。

設計的模型泥泵主要是為了滿足PIV非接觸測量要求，沒有刻意追求水力性能。但作為固液兩相流體研究的載體，希望所設計的泥泵具有良好的水力性能[2-3]。為考察該泵的水力性能，在不同轉速下進行多次試驗，得到了不同轉速下泥泵的H-Q及η-Q性能曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，泵的特性曲線光滑，變化趨勢正確，在設計轉速下效率約為60%。

2 PIV拍攝結果分析

試驗時，扇形激光穿過蝸殼射入泵內，相機垂直于片光從蝸殼的正面進行拍攝，這樣可以拍攝到葉輪及蝸殼全域的瞬態(tài)流場。采用空心玻璃球作為示蹤粒子，將泵的背面和連接螺紋孔涂成黑色以提高圖像的信噪比，實驗發(fā)現(xiàn)除了泵軸末端和葉片末端等少數(shù)地方存在反光外，整個泥泵內部畫面清晰，幾乎沒有拍攝死角。在電機的軸端安裝同步編碼器，采用外同步的鎖相技術，測量轉速分別為500r／min和1 000r／min 2種情況下的清水流場。實驗采用粒子圖像序列采集方法，對每一次采集的15組瞬時流場數(shù)據(jù)進行平均，獲得各轉速下的流場。這里僅選取葉輪中的一個流道進行數(shù)據(jù)處理和分析，如圖4所示。同時將測量所得的絕對速度數(shù)據(jù)導入TECPLOT軟件，得到水質點的絕對速度矢量。葉輪流道內與坐標軸平行的網格上的絕對速度分布如圖5所示。

根據(jù)絕對速度、相對速度以及牽連速度的矢量三角形關系，編程計算得到葉輪流道內相對速度矢量。繪制了半徑r分別為60mm，70mm，80mm，90mm，100mm 5個不同半徑圓弧段上質點的相對速度，如圖6所示。

圖6 n＝不同轉速下相對速度矢量

根據(jù)圖5、圖6可以看到：①泵內流體的絕對速度趨向于葉輪的旋轉方向，越靠近葉片的出口處，絕對速度越大；相對速度基本沿葉片間的流道方向，出口處近似沿葉片的切線方向甩出[4]；②整個流道內，葉片吸力面附近的相對流速普遍高于同一半徑上壓力面附近的相對流速，從吸力面到壓力面呈下降趨勢，最高相對流速出現(xiàn)在吸力面的出口處，整個流道內流動呈非對稱性。

圖7為不同轉速下葉片吸力面和壓力面附近相對流速隨半徑的的變化情況，由此可以看出，隨著半徑的增大，吸力面和壓力面的相對速度大小均有增大趨勢，轉速越高，增加越明顯。

圖7 不同轉速下吸力面、壓力面相對速度

3 結束語

模型泵的清水PIV實驗表明，全透明有機玻璃模型泵結構合理，能夠滿足PIV全域測量要求。初步獲得的泵內流體的絕對速度和相對速度矢量，以及葉片吸力面和壓力面附近流體的相對速度分布，符合離心泵葉輪內流場的一般規(guī)律，為下一步實施水力輸砂固液兩相流研究奠定了基礎。

[1]高 瑛，李淑紅，李金生.船用挖泥泵內部流動研究[J]水泵技術，2005，（2）：29-30，38.

[2]Feng J，Benra F-K，Dohmen H J.Unsteady flow visualization at part-oad condition of a radial diffuser pump：by PIV and CFD[J].Journal of Visualization，2009，12（1）：65-72.

[3]李亞林，袁壽其，湯 躍.離心泵內部流動PIV測試研究進展[J].水泵技術，2010，（5）：1-5.

[4]楊 華，劉 超，湯方平，等.采用PIV研究離心泵轉輪內部瞬態(tài)流場[J].水動力學研究與進展，2002，17（5）：547-552.