1、高速攝像機(jī)在自吸泵特性研究中的應(yīng)用
自吸泵作為一種通用機(jī)械設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力冶金、礦山、造船、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域中。葉輪是自吸泵的核心部件，葉片數(shù)量不僅是研究離心泵水力性能的關(guān)鍵因素，且對(duì)自吸泵的自吸特性也會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。
中國(guó)計(jì)量大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)為研究自吸泵不同葉片數(shù)的自吸特性，通過(guò)千眼狼高速攝像機(jī)搭建了可視化試驗(yàn)平臺(tái)，從試驗(yàn)的角度出發(fā)，直觀地研究自吸泵的自吸過(guò)程，探討在不同葉片數(shù)下自吸泵的內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)和自吸時(shí)間的差異和規(guī)律。（詳情可見《葉片數(shù)對(duì)泵自吸特性影響的可視化試驗(yàn)研究》）
2、實(shí)驗(yàn)方法
圖1 可視化試驗(yàn)臺(tái)
試驗(yàn)搭建了可視化試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。該平臺(tái)主要包括透明自吸泵、透明管道和千眼狼高速攝像機(jī)。試驗(yàn)分別對(duì)雙葉片、三葉片和四葉片的自吸泵自吸過(guò)程進(jìn)行了觀察，采集速度為每秒1000fps捕捉泵內(nèi)氣液混合流態(tài)分布。
圖2 不同葉片數(shù)的透明葉輪
圖2為加工完成的透明葉輪。采用電機(jī)轉(zhuǎn)速為1320r/min，進(jìn)水管初始液位距葉輪中心點(diǎn)垂直高度為1m，出水管高度為1m，自吸泵內(nèi)初始液位距葉輪中心點(diǎn)垂直高度為60mm。
3、試驗(yàn)分析
1/3.試驗(yàn)討論
通過(guò)高速攝像機(jī)采集圖像，發(fā)現(xiàn)當(dāng)自吸泵在啟動(dòng)時(shí)間t=1s時(shí)，葉輪進(jìn)口處由于壓力減小，空氣進(jìn)入進(jìn)口處，在泵內(nèi)形成空氣空腔?？諝饪涨唤?jīng)過(guò)葉片的擠壓，破碎后迅速與泵內(nèi)液體混合，在葉輪外緣處氣液混合較為充分，形成氣液混流狀態(tài)。
圖3 t=1s時(shí)泵內(nèi)部氣液混合流態(tài)分布
由圖3可知，3種自吸泵葉輪內(nèi)部的氣液比例以及分布方式存在明顯的差異。四葉片自吸泵分流板內(nèi)氣泡數(shù)量明顯比其他葉片數(shù)，氣泡流入回流室后，氣泡開始在回流室上壁面開始積聚；三葉片自吸泵葉輪內(nèi)部空腔相對(duì)較小，外緣處氣液混合較不充分，氣液分離室中只有少部分氣泡進(jìn)入分流板開始回流，底部氣泡尚未開始積聚。雙葉片自吸泵葉輪內(nèi)部氣相空腔最小，外緣處氣液混合不明顯，氣液分離室中的混合液相運(yùn)動(dòng)劇烈，但氣泡尚未進(jìn)入分流板回流。由此可見，在電機(jī)啟動(dòng)初期，葉片數(shù)越多，葉輪外緣處氣液混合越充分，分流板處的氣泡越多，泵內(nèi)氣液循環(huán)運(yùn)動(dòng)進(jìn)程較快。
圖4 t=5s時(shí)泵內(nèi)部氣液混合流態(tài)分布
由圖4可知，當(dāng)自吸泵在啟動(dòng)時(shí)間t=5s時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入穩(wěn)定期。該階段3種葉片自吸泵葉輪外緣處的氣液混合流體氣液比例相近；雙葉片自吸泵氣液混合流體中氣相含量對(duì)較少；四葉片自吸泵分流板處回流的氣泡明顯多于其余自吸泵，并且在其底部形成更大的氣泡群。雙葉片自吸泵氣液分離室中氣液混合較為穩(wěn)定，分流板處懸浮著一定量的氣泡，底部尚未形成明顯的氣泡群，回流的液相相對(duì)較少。由此可見，在電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，葉片數(shù)越多，自吸泵內(nèi)的氣液運(yùn)動(dòng)越劇烈，分流板底部的氣泡群越大，回流的氣液混合流體越多，葉輪輸送流體的效率越高。
2/3.葉片數(shù)與流動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系
如圖5所示，自吸泵的葉輪進(jìn)口處均形成穩(wěn)定的直徑不一的氣相空腔，且在空腔外緣包裹著氣液占比不一的白色泡沫帶如圖5中C區(qū)域所示。
圖5 自吸后期泵內(nèi)部氣液混合流態(tài)分布
如試驗(yàn)圖像觀察了解到，葉片數(shù)的增加使葉輪外緣氣泡的數(shù)量增加，葉輪外緣氣相含量增加，氣液混合流體混合程度增加。同時(shí)在四葉片自吸泵葉輪的的試驗(yàn)下，蝸殼擴(kuò)散段回旋氣泡B數(shù)量明顯小于三葉片和雙葉片，在自吸泵相同的轉(zhuǎn)速下，葉片數(shù)的增加也減小了了回旋氣泡B的回旋周期，進(jìn)一步減少蝸殼擴(kuò)散段出現(xiàn)停滯回旋的氣泡。葉片數(shù)的增加，使自吸泵內(nèi)部的氣液混合流動(dòng)更加穩(wěn)定，減少了不必要的能量損耗，提高了泵內(nèi)氣泡密度，使泵內(nèi)氣液混合流體混合更加充分。
3/3.葉片數(shù)對(duì)自吸泵自吸時(shí)間的影響
由圖6可知，在電機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)水管內(nèi)液位迅速上升，三種葉輪自吸泵自吸性能較為接近，四葉片自吸泵液位首次上升高度最大，這是因?yàn)槿~片數(shù)越多，葉輪進(jìn)口處產(chǎn)生的壓力越低，較大的壓力差將液位抬升。
圖6 自吸泵管道液位變化
在電機(jī)啟動(dòng)5~15s左右期間，進(jìn)水管中的液位開始呈現(xiàn)波動(dòng)上升狀態(tài)，且液位上升速度開始降低，這是因?yàn)榱黧w在重力和管道內(nèi)外壓力差的即將到達(dá)平衡，自吸過(guò)程開始進(jìn)入平穩(wěn)期。
在t=20s之后，進(jìn)水管液位緩慢爬升，進(jìn)入平穩(wěn)期，此時(shí)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，不斷將泵的氣體排出，提高泵內(nèi)流體中液體的占比。當(dāng)進(jìn)水管中有液體流入葉輪，三、四葉片自吸泵用時(shí)較為接近，雙葉片自吸泵耗時(shí)約100s，自吸性能較差。當(dāng)出水管有液相流出時(shí)，四葉片自吸泵出水管液位上升速度最快，自吸時(shí)間最短，雙葉片相對(duì)于三、四葉片，進(jìn)入出水管液位開始上升的時(shí)間較晚，液位上升速度也較小，自吸性能較差。
圖7 t=160s時(shí)泵內(nèi)部氣液混合流態(tài)分布
由圖7可知，四葉片自吸泵葉輪外緣處形成的氣液混合流體中氣相含量大，產(chǎn)生大量的移動(dòng)氣泡排出，氣液分離室內(nèi)運(yùn)動(dòng)劇烈，氣液分離效率高?；亓骺滋幜髁看螅~輪的流體輸送效率高，使得自吸泵的排氣效率提高，加快自吸進(jìn)程。由此可見，自吸時(shí)間主要取決于氣液分離效率，葉片數(shù)越多，葉輪外緣處氣液混合更加充分，產(chǎn)生的移動(dòng)氣泡多，氣液分離室內(nèi)運(yùn)動(dòng)更加劇烈，氣液分離效率高，回流量大，葉輪的流體輸送效率高，因此自吸泵排氣效率高。
4、試驗(yàn)結(jié)論
采用千眼狼高速攝像機(jī)搭建了可視化試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在不同葉片數(shù)的情況下，自吸泵自吸過(guò)程中的氣液混合流態(tài)分布的圖像捕捉及自吸泵自吸時(shí)間的記錄；研究了不同工況下葉片數(shù)對(duì)自吸泵氣液混合流態(tài)分布及流激響應(yīng)特性的影響機(jī)制，完成了自吸泵葉片數(shù)為2、3、4的情況下對(duì)自吸泵自吸特性影響的可視化試驗(yàn)研究。得出如下結(jié)論：
（1）氣液混合流體中的氣液比例受葉片數(shù)影響，葉片數(shù)越多，氣液混合越充分，氣液混合流體中氣相含量越高，蝸殼擴(kuò)散段內(nèi)移動(dòng)氣泡越多，排氣效率越高，自吸性能越好。
（2）自吸泵的自吸時(shí)間主要取決于排氣效率，排氣效率受葉輪對(duì)流體的輸送效率、氣液混合流體中的氣液比例及氣液分離效率影響。其中葉輪對(duì)流體的輸送效率表現(xiàn)為泵內(nèi)流體的回流量，葉片數(shù)越多，葉輪內(nèi)部壓力越低，通過(guò)回流孔回流的流體越多，葉輪對(duì)流體的輸送效率越高。
（3）3種葉片數(shù)方案中，四葉片自吸泵完成自吸的時(shí)間最短，三葉片稍長(zhǎng)，雙葉片最長(zhǎng)。在本文試驗(yàn)條件下，葉片數(shù)的增加使自吸泵內(nèi)部的氣液混合流動(dòng)更加穩(wěn)定，減少了泵內(nèi)局部的流動(dòng)能量損耗，使泵內(nèi)氣液混合流體混合更加充分，提高了自吸泵的自吸性能。
5、總結(jié)
本次試驗(yàn)使用高速攝像機(jī)對(duì)自吸泵內(nèi)部流動(dòng)情況進(jìn)行拍攝，更加深入研究了不同葉片數(shù)下的自吸泵內(nèi)氣液混合、氣液分離及氣液回流等過(guò)程，揭示葉片數(shù)對(duì)自吸泵自吸過(guò)程各個(gè)階段的氣液兩相流態(tài)的影響規(guī)律，為自吸泵葉輪設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。高速攝像機(jī)作為科研儀器，能夠幫助科研人員進(jìn)一步探索試驗(yàn)現(xiàn)象，揭示更多自然本質(zhì)。（此文源自中國(guó)計(jì)量大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)）
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