示踪粒子跟随性在离心泵内流场PIV测试研究

摘要：选择合适的流场是保证PIV实验精度至关重要的一环，选择示踪粒子的依据是流场。由于固液两相流的理论，人们要重点考虑黏性阻力和旋转因素，分析考虑粒子承受力的情况。在完全准备充足后在BBO方程给出的基础上引入外部的势力，在建立了拉格朗日运动方程后，由此推导出PIV公式。通过利用结果来计算跟随程度，从而得出正确的结论。

关键词：离心泵；示踪粒子；跟随性；粒子图像测速仪；流场；PIV测试 文献标识码：A

中图分类号：TH311 文章编号：1009-2374（2015）29-0018-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.29.009

1 BBO方程改进

加少量示踪粒子可忽略相互作用力，也可不考虑反弹力以及Magus和Saffman升力。固体粒子所受的黏性阻力各不相同，所以需要具体分析。黏性阻力定义为：

每种类型的离心泵离心力，弯曲运动从叶轮离心压力Fr引起的转动圆周运动的颗粒通过两个弯曲离心力所造成的流动路径的FR。叶轮旋转会产生附加的Fc科里奥利力加的重力Fg和浮力Ff统称为图1中所示的外部力F，外力。

图1 示踪粒子外部势力的受力模型

从等式（1）中可以看出：只有在外部力F，这是决定本身的离心旋转特性BBO方程不同。

2 离心式粒子派生跟随推导

使用相同的分析方法和水力旋流器，所述方程适用于离心水泵沿不同方向示踪粒子的运动，除外部势力外其余部分是相同的。

3 示踪粒子跟随性的估算与分析

白颜色的A1203粒子的密度要比水的密度大。可是它的成本低廉，而且散射效果也相对比较好。目前在我国有很多的研究者都看重了白色A1203粒子的这一特点，将其利用在离心泵内流场piv的实验中，取得了预期的好效果。因为它是密集的颗粒，必不可少的实验的成功开展了财产评估和有效判断后，用有效的估算来预测它，是否能够满足实验室要求和较高的精度。

查看下面的图2，为了更好地使用PIV测试叶轮S1，位置和流量区域时的相对速度矢量场，这是一个使用的PIV的平均相对速度取相同的位置，与治疗的平均结果相比被获得。

图2 PIV拍摄位置及时均相对速度矢量图

位置图2PIV相对速度矢量图及拍摄位置，它不在任何时间与液体的速度，然后处理后的使用的PIV的平均结果可在离心力W频率范围内考虑改变粒子计数拍照的相对速度矢量的PIV颗粒图像W*=0，我们是在圆周方向上分别径向幅值比和相位差：

由式（2）至式（5）中可以看出：

使用的PIV得到平均结果通过在流体与相位的粒子上可以看出是大小相等的，但还是有区别的。实际上，相平均使用的治疗PIV结果实际上就是平均粒子速度的处理结果。这样做的后果是客观存在没有反映在流体和颗粒，运动湍流的影。从上述得出，只有当流离心泵假定稳流，它可以使用上述公式。

使用式（2）至式（5）的平均场速度（参见图2）以下的估计计算为这里示踪粒子在表1所示的速率，直径为8μm，粒子的密度为4.0×103kg/m3，X和Y坐标，分别表示在图2a中的位置，推一些有代表性的监测点的轨迹，在图2b中示出的监测点的位置上。

表1 粒子的跟随程度处于不同的位置

由此可以看出：不考虑湍流频率的作用，这些粒子的速度可能不代表水的速度，这是因为离心旋转和冲击引起它的弯曲。由于不同的叶轮角度的运动方向，因此，当示踪粒子跟随水的运动，其速度和水的速度是不一样的，这是因为该离心泵同时旋转离心力引起行动的出现由于径向。如果在圆周方向上的粒子来达到0.99或更大的流速，这表明完全遵循示踪粒子的线在周边区域是良好的，但是在径向这方面的跟随性就相差了很多，它们的幅值比基本都超不过1.01，在其中的水的流速和最大误差相对颗粒中的速度应为4.55%。总之，直径颗粒和周向粒子在跟随性问题中，后者比前者的跟随性复杂很多。我们可以注意到，周向跟随精度是非常高的，这说明选择的粒子的直径都相对较小，最大的直径只有8.00μm。在另一个方面，也不能忽视它的湍流中的频率的作用。如果考虑到这个湍流的频率（78.15）的影响，作为一个参数，选择较大粒径50μm，当这些参数不发生变化的话，其跟随性和湍流频率的关系如表2：

表2 跟随性与湍流频率的关系

由表2可以看出：离心泵周向、湍流频率和粒子的跟随性关系是成反比的，特别是当高湍流频率时更为显著。对于跟随性，离心泵的径向和湍流频率对其影响比较复杂，当振幅发生在一定的频率比非常接近，当频率超大或是超小，暂时似乎遵循自然时在工作的状态下滑明显的势态，借此我们完全可以断定频率过于动荡肯定会影响到示踪粒子的跟随性。这表明，当使用PIV被瞬间图像测量时，不使用平均处理阶段是一个很重要的原因，粒子遵循研究应考虑到湍流的影响，我们需要使用上述公式来评估。在现实中，湍流频率离心泵变化无常，是一个高度复杂的频率，因为我们的技术无法达到每一点在确定频率的湍流。研究人员以前遇到这种问题时，他们的方法是使用最动荡的频率与选择最好的示踪粒子，其次照这样的选择对于低频，以获得更好

效果。

4 结语

（1）在考虑主叶轮旋转产生影响的颗粒在运动和曲率所造成影响的基础上，我们可以根据离心泵流体力学和固液两相流理论的原则，BBO方程为实施进一步的改进和完善，同时引进外部的力F，对于这个特殊的旋转下成立的示踪粒子的数学模型的离心场的动荡。（2）调整后的离心式泵产生的BBO方程，我们可以分析离心泵内示踪粒子的跟随性与粒子本身的特殊性能有着密切的关系，同时也与离心泵内部流场的一些物理形态有着相当大的关系，同一粒子的参数在不同的离心泵内其流场的跟随性也完全是不一样的，通过上述的理论依据和条件，为在PIV离心泵如何适当的对示踪粒子更好的选择，给予了有价值的参考方法。（3）由于种种物理现象的原因，粒子运行的速度与水流的速度是有很大差别的，结果在PIV离心泵中，采用加工阶段平均法，粒子与水流速度的差别依然不变。随后4.55%的最高速度上的差异，主要是由于叶轮旋转的影响和曲率造成这种差距。不仅测试使用估计，检测PIV选定示踪粒子是可行性误差的范围内，但也有必要解决离心泵随后沿很好示踪粒子的PIV问题的水平，根据该修正上述参数，在实验中的流场，以测试邻近流场的真实效果离心PIV的效果。

参考文献

[1] Paffel M，Willert C Kompenhans J.Particle Image Velocimetry A Practical Guide[M].New York：Springer-Verlag，2013.

[2] 黄社华，魏庆鼎.激光测速粒子对复杂流动的响应特性研究――I颗粒非恒定运动数学模型及其数值方法

[J].水科学进展，2013，14（1）.

作者简介：张乐禄（1985-），男，江苏南通人，南通醋酸纤维有限公司助理机械工程师，研究方向：机械设计制造及其自动化。