基于piv的射流泵流動(dòng)測(cè)量研究

基于piv的射流泵流動(dòng)測(cè)量研究

射流泵的內(nèi)部流動(dòng)屬于不規(guī)則區(qū)域的有限空間射流。有限空間射流是指射流自噴嘴或孔口出流后,流入一有限區(qū)域(或周邊區(qū)域受到約束)的流動(dòng)。人們對(duì)射流泵內(nèi)部流動(dòng)的研究是從研究規(guī)則區(qū)域(平面、等徑直管等等)的有限空間氣體射流開(kāi)始的。早期是用畢托管與熱線風(fēng)速儀測(cè)定流速及其脈動(dòng)值。由于上述方法測(cè)定流場(chǎng)時(shí)會(huì)干擾流場(chǎng),因而所測(cè)之值并非流場(chǎng)真實(shí)的參數(shù)分布。隨著激光多普勒測(cè)速技術(shù)(LDA)的發(fā)展,LDA技術(shù)逐漸被應(yīng)用到有限空間射流的流場(chǎng)測(cè)試中來(lái)。Suzuki、Ida在研究回流區(qū)熱傳導(dǎo)問(wèn)題時(shí)對(duì)等徑直管內(nèi)有限空間水射流進(jìn)行了LDA測(cè)試,測(cè)得了時(shí)均及脈動(dòng)速度、紊動(dòng)能和Nu數(shù)的分布。羅為民、龍新平對(duì)射流泵內(nèi)有限空間水射流流場(chǎng)進(jìn)行了一維LDA測(cè)試,由于是一維測(cè)試,而且沒(méi)有采用實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng),因而僅測(cè)出了時(shí)均流場(chǎng)的分布。用LDA技術(shù)對(duì)有限空間射流流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試,總的來(lái)說(shuō)做了大量工作,但還不夠完整和全面。PIV技術(shù)與單點(diǎn)測(cè)量方法如皮托管,熱線風(fēng)速儀和激光多普勒測(cè)速儀相比,優(yōu)點(diǎn)是突破了空間單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的局限,能進(jìn)行二維和三維全場(chǎng)瞬時(shí)速度測(cè)量,對(duì)流場(chǎng)干擾小等。同時(shí),現(xiàn)在的PIV系統(tǒng)還具備了與單點(diǎn)測(cè)量?jī)x器(如激光多普勒測(cè)速儀等)相當(dāng)?shù)目臻g分辨率,即使僅限于二維測(cè)量,PIV技術(shù)也是一種詳盡的研究復(fù)雜流動(dòng)的定量工具。由于PIV技術(shù)的上述優(yōu)勢(shì)決定了將其用于射流泵內(nèi)部流動(dòng)的可能性。1實(shí)驗(yàn)設(shè)備1.1射流泵部分用有機(jī)玻璃制作實(shí)驗(yàn)所用射流泵模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。除噴嘴用45號(hào)鋼制作外,射流泵其它部分都用有機(jī)玻璃制成。測(cè)試時(shí)在所測(cè)射流泵喉管入口段、喉管段周邊做了一有機(jī)玻璃矩形水槽以消除光折射對(duì)測(cè)試的影響。1.2射流泵循環(huán)過(guò)程設(shè)計(jì)試驗(yàn)中為了模擬射流泵的吸水過(guò)程,采用了一封閉式循環(huán)系統(tǒng),如圖2所示。離心泵在電機(jī)的帶動(dòng)下,從水池中抽水形成工作水流;工作水流從射流泵噴嘴噴出形成射流,由于射流的紊動(dòng)擴(kuò)散作用,射流泵從水池吸水形成被吸水流;工作水流和被吸水流在射流泵中發(fā)生動(dòng)量交換形成混合水流,混合水流最后流回水池,完成整個(gè)循環(huán)過(guò)程。用離心泵出口調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)工作水流流量Q0,用射流泵出口球閥來(lái)調(diào)節(jié)混合水流流量Qc,從而達(dá)到改變流量比q=(Qc-Q0)/Q0的目的。射流泵工作水流流量和混合水流流量用IFS4000型電磁流量傳感器及其相應(yīng)的IFC090F信號(hào)轉(zhuǎn)換器測(cè)量。1.3對(duì)稱面流場(chǎng)測(cè)試本次實(shí)驗(yàn)所用的PIV測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。由脈沖激光器通過(guò)柱面鏡和球面鏡形成的片光源,照亮流場(chǎng)中的一個(gè)很薄(約1mm厚)的流場(chǎng)層片;在與片光源相垂直方向的CCD攝像機(jī)攝下了流場(chǎng)層片中流動(dòng)粒子的圖像;然后把圖像數(shù)字化送入計(jì)算機(jī),利用互相關(guān)原理進(jìn)行圖像處理。由于PIV測(cè)量區(qū)域最大尺寸為105mm×105mm,而所要測(cè)量的射流泵喉管入口段、喉管段對(duì)稱面流場(chǎng)尺寸為285mm×40mm,為此,通過(guò)移動(dòng)片光源和CCD的軸向位置(位置A、B和C)可測(cè)得整個(gè)對(duì)稱面流場(chǎng)。測(cè)試時(shí),先根據(jù)電磁流量傳感器的工作水流流量Q0,調(diào)節(jié)噴嘴出口流速到20m/s,在保持噴嘴出口流速不變的情況下對(duì)圖3所示的3個(gè)軸向位置分別進(jìn)行測(cè)量;然后保持噴嘴出口流速不變,改變流量比q,再次對(duì)3個(gè)軸向位置分別進(jìn)行測(cè)量。2結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4～圖6。其射流泵噴嘴出口流速U0量綱為一,噴嘴直徑D和U0計(jì)算的雷諾數(shù)為3.68×105。2.1piv測(cè)試結(jié)果需要指出的是,射流泵喉管入口段和喉管段是粘接的,由于粘膠分布的不規(guī)則性以及粘膠所帶來(lái)的反光等問(wèn)題,X/D=2以前和X/D=13.8以后的流場(chǎng)呈無(wú)規(guī)律性,且測(cè)試結(jié)果不夠準(zhǔn)確。因此,以下僅給出了2D～13.8D以內(nèi)的PIV測(cè)量結(jié)果。射流泵對(duì)稱面流場(chǎng)速度矢量見(jiàn)圖4。在射流泵喉管入口段和喉管段,速度矢量圖顯示流動(dòng)具有射流特征,射流核心區(qū)內(nèi)軸向時(shí)均速度近似相等,對(duì)應(yīng)噴嘴邊緣的徑向位置處出現(xiàn)最大的時(shí)均速度徑向梯度。由于湍流混合和射流卷吸,隨流動(dòng)的發(fā)展,速度剖面不斷擴(kuò)展,而剖面峰值則不斷降低,至X/D=13.0,整個(gè)速度剖面已基本穩(wěn)定。2.2流場(chǎng)軸承速度分布圖5為除流量比不同外,其它條件均相同情況下的射流泵流場(chǎng)軸心速度分布圖。從圖5可看出:各種工況下射流泵內(nèi)部流動(dòng)的大趨勢(shì)是一致的,射流軸心速度均隨軸向位置增加而減小,但流量比q愈小,其軸心速度衰減得愈快。2.3流量比的影響射流泵對(duì)稱面流場(chǎng)軸向速度等值線如圖6所示。對(duì)照?qǐng)D5、圖6可以看出,當(dāng)射流泵喉管和噴嘴的尺寸確定后(即射流泵的面積比確定后),流動(dòng)的結(jié)構(gòu)只與射流泵的流量比有關(guān)(即與工作射流和被吸流體的速度比有關(guān))。在大流量比情況下,即工作射流和被吸流體的速度比較小的情況下,兩股流體要混合一致,工作射流所付出的能量較少,射流衰減就較慢,因此高速射流區(qū)域就保持得較長(zhǎng),從圖6可以清楚地看見(jiàn)這個(gè)過(guò)程。隨著流量比的減少,高速射流區(qū)越來(lái)越短,這也在圖5的軸心速度分布清楚地表現(xiàn)出來(lái)。另外,在小流量比情況下(圖6(d)),射流在擴(kuò)展到壁面之前,如果被吸流體不能供給工作射流卷吸所需要的流體,則射流要從下游卷吸流體,從而形成回流。由于回流是要消耗能量的,必然引起效率的降低。因而當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí),為了保持高效運(yùn)行,射流泵應(yīng)在一個(gè)適當(dāng)?shù)牧髁勘萹范圍內(nèi)運(yùn)行。3射流泵卷吸特性(1)用PIV進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)試對(duì)流場(chǎng)無(wú)干擾,一次能測(cè)量整個(gè)視場(chǎng)。由測(cè)試得到的數(shù)據(jù)文件還便于處理成多種易于理解的形式。(2)射流泵的基本工作機(jī)理就是湍流混合、射流卷吸過(guò)程。當(dāng)射流泵的面積比確定后,流動(dòng)的結(jié)構(gòu)只與射流泵的流量比有關(guān)。為了保持高效運(yùn)行,射流泵應(yīng)在一個(gè)適當(dāng)?shù)牧髁勘萹范圍內(nèi)運(yùn)行。(3)隨著射流向下游的擴(kuò)展,射