1. 高速攝像機在離心泵技術(shù)研究中的應(yīng)用
離心泵作為重要的輸水設(shè)備，廣泛應(yīng)用于城市環(huán)保、農(nóng)業(yè)灌溉、礦山排水、石油化工、水力發(fā)電等領(lǐng)域中。自吸式離心泵因自吸性能強、高效節(jié)能等技術(shù)優(yōu)勢，受到各行業(yè)追捧。隨著工業(yè)科技的不斷發(fā)展，各行業(yè)對離心泵設(shè)備的性能也提出了更加嚴(yán)格的要求。
為研究自吸離心泵不同轉(zhuǎn)速下的自吸性能，探討自吸性能與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，中國計量大學(xué)科研人員設(shè)計了透明自吸離心泵裝置，并采用高速攝像機拍攝自吸初期蝸殼內(nèi)部的氣液兩相流流態(tài)的演變，記錄吸入管的液位變化，實驗總結(jié)吸入期和進水期轉(zhuǎn)速對自吸時間的影響規(guī)律，并解釋了自吸性能差異產(chǎn)生的原因。本次研究成果可為自吸離心泵的轉(zhuǎn)速設(shè)計提供實驗數(shù)據(jù)參考。（詳情可見《自吸離心泵轉(zhuǎn)速與自吸性能關(guān)系的研究》）
2. 實驗過程
2.1 實驗方法
本次實驗設(shè)計了透明自吸離心泵裝置。裝置包含自吸泵自吸系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)，如圖1所示。
圖像采集系統(tǒng)由千眼狼高速攝像機和數(shù)碼相機組成，采集泵自吸過程中泵內(nèi)兩相流流態(tài)和進水管液位高度等圖像信息。如圖2所示，高速攝像機布置于2號拍攝位置，主要記錄泵的吸入期和進水期泵內(nèi)氣液兩相流流動。為避免由試驗人員產(chǎn)生的粗大誤差和減小試驗過程產(chǎn)生的讀數(shù)誤差，每組轉(zhuǎn)速至少做2次重復(fù)試驗，保證3組正常數(shù)據(jù)求平均值。
2.2 進水管液位變化分析
進水管液位的變化是研究自吸泵自吸性能優(yōu)劣的一個重要方面，圖3展現(xiàn)了不同轉(zhuǎn)速下的進水管液位變化曲線。當(dāng)自吸泵開始啟動時，圖中任一轉(zhuǎn)速下，進水管液位都快速上升到700mm以上，液位高度在600mm時也都出現(xiàn)了一次液位下降的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速在2200r/min及以下，進水管液位處于緩慢上升階段，此時泵內(nèi)產(chǎn)生了大量氣泡，這些氣泡從氣液分離腔緩慢排出，處于穩(wěn)定排氣時期，此時期影響進水管液位上升的主要因素不再是氣液分離腔液位高度，而是此時的排氣效率，從圖中可以看出轉(zhuǎn)速為1500r/min時，經(jīng)34s進水管液位才達到最高點，所需時間遠遠長于其他高轉(zhuǎn)速時間，說明低轉(zhuǎn)速下進水管液位變化還與排氣效率有關(guān)。
2.3 氣液分離腔內(nèi)含氣率變化分析
本文采用圖像二值化方法研究氣液分離腔內(nèi)氣液兩相流中含氣率數(shù)值的變化，將高速攝像機采集圖像中氣體和液體的顏色以不同的灰度值顯示，以截面含氣率表征氣液分離腔內(nèi)含氣率。
根據(jù)圖5不同轉(zhuǎn)速下氣液分離腔內(nèi)含氣率變化曲線可以看出，轉(zhuǎn)速越高，氣液分離腔內(nèi)的截面含氣率越高；α在自吸初期上升較快，根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同，曲線趨于穩(wěn)定的時間節(jié)點也不相同；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，α受轉(zhuǎn)速影響的程度較小。當(dāng)液體上升到一定高度時，開始從回流孔流回，氣液分離腔內(nèi)液相體積停止快速增加，此時α漸漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500r/min，α在14s后基本不再增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2000r/min和2500r/min，α在7s后趨于穩(wěn)定；α穩(wěn)定后，蝸殼內(nèi)氣泡繼續(xù)進入氣液分離腔，轉(zhuǎn)速越快，進入的氣泡數(shù)量越多，其含氣率也增加的越快，其最大含氣率也最高。
2.4自吸性能與轉(zhuǎn)速關(guān)系的分析
吸入期是自吸泵自吸過程的初期，自吸泵轉(zhuǎn)速會影響吸入期進水管液位穩(wěn)定的高度，對此時期自吸時間的影響很大。圖6描繪了不同轉(zhuǎn)速下進水管液位隨時間的變化和下降梯度的大小，下降梯度表示此轉(zhuǎn)速下圖中直線的斜率，自吸泵轉(zhuǎn)速小于2300r/min時，轉(zhuǎn)速越高，自吸泵的吸入期持續(xù)時間越短，但下降梯度越小，這表明隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，轉(zhuǎn)速不再成為影響吸入期時間的主要因素。
影響吸入期自吸泵自吸性能的原因包括擴散管氣泡群的出現(xiàn)時間、氣泡的流速和含氣率。其中，擴散管氣泡群的出現(xiàn)時間表現(xiàn)為：在1500r/min 的轉(zhuǎn)速下，自吸泵中幾乎沒有氣泡從蝸殼擴散管流入氣液分離腔；在2000r/min的轉(zhuǎn)速下，自吸泵內(nèi)開始產(chǎn)生少量氣泡，可以看到有小部分氣泡流出蝸殼；而在2500r/min的轉(zhuǎn)速下，自吸泵中出現(xiàn)大量氣泡群，如圖7所示。當(dāng)其進入氣液分離腔，這些氣泡將會有小部分流出氣液分離腔并通過出水管排出，氣泡提前進入氣液分離腔，有利于氣體的排出，減少自吸泵的自吸時間。
3. 實驗結(jié)論
基于千眼狼高速攝像機的高速攝影技術(shù)拍攝不同轉(zhuǎn)速下自吸泵自吸過程中氣液兩相流的流態(tài)，并記錄了進水管液位隨時間的變化及出水時間。通過對拍攝結(jié)果的處理、對比和分析，發(fā)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速對自吸過程的不同時期的影響規(guī)律，解釋了自吸性能差距產(chǎn)生的原因。
核心結(jié)論1：
當(dāng)自吸泵處于自吸過程中的吸入期時，轉(zhuǎn)速越高，泵的吸入期時間越短，截面含氣率越高。泵的吸入期時間存在下限，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到2300r/min，吸入期時間基本不再減少；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2500r/min時，含氣率達到最高值，即53%，相比轉(zhuǎn)速為1500r/min，含氣率提高了86%。
核心結(jié)論2：
當(dāng)自吸泵處于自吸過程中的進水期時，進水管中的水流入泵內(nèi)，根據(jù)不同轉(zhuǎn)速下的吸入期時間的對比數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)速越高，自吸泵的氣液分離腔在更短的時間內(nèi)被充滿，氣液分離腔充滿后，泵內(nèi)兩相流與外界接觸面積急劇減小，阻礙了排氣過程，當(dāng)轉(zhuǎn)速從2100r/min提高到2400r/min時，出水時間增加31%。
核心結(jié)論3：
當(dāng)轉(zhuǎn)速進一步增加至2500r/min時，過高的流速引起了氣液兩相流與氣液分離腔之間的沖擊和擠壓，提高了排氣效率，同時泵內(nèi)氣泡進一步增加，泵內(nèi)氣液兩相流含氣率增加，出水管液體體積增加，出水管液位升高，進一步減少自吸泵出水時間。
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