1.2.3 离心泵内部不稳定流动实验
由于叶轮流道的强旋转、大曲率、黏性及逆压梯度的作用,离心泵内不可避免地会出现各种流动分离现象,通常表现为非定常旋涡脱落。这些非稳态流动不仅表现出较为强烈的动力学特性,同时在一定程度上改变了泵的能量转换特性,影响了泵的稳定运行范围。在实验研究方面,为了捕捉离心泵内部不稳定流动并进行特征提取,必须定量地研究叶轮流道内流体的运动细节,但运动部件的流场测量及其特征提取历来就是难题。离心泵叶轮出口的射流尾迹结构是最常见的不稳定流动形式,叶轮出口的射流尾迹作用易使叶轮出口处在周向上出现不均匀的压力分布,增强了叶轮与蜗壳之间的动静干涉作用效果。姚志峰等[43]通过实验研究叶轮形式对双吸离心压力脉动的影响,发现双吸离心泵普遍存在叶片通过频率、泵轴旋转频率和低于轴频的低频脉动成分,压力脉动沿圆周方向的不均匀性会产生其他谐波成分。Barrio[44]通过实验和数值模拟方法分析了不同流量工况下隔舌区域的流动状况,发现隔舌区域的泄漏流能增强动静干涉强度。Furukawa A等[45]研究了离心泵导叶内的压力脉动特性,结果表明叶轮与导叶之间的干涉作用强于叶轮的射流-尾迹作用,叶片出口安放角是导叶内产生剧烈压力脉动的主要原因。
当离心泵在低于设计工况区域运行时,内部流动更加复杂,流动分离、回流、二次流及旋转失速等现象尤为突出。Westra R W等[46]采用PIV对离心泵叶轮内的二次流现象进行研究,发现二次流是导致叶片吸力面和前盖板交接处低速区形成的主要原因,射流-尾迹结构强度随着流量的增加而逐渐减弱。Miyabe M[47]对离心叶轮的设计和非设计工况进行实验研究,发现在设计工况下相对速度场的射流-尾迹结构呈现出固定的非稳态特征;而在非设计工况下,旋转失速现象则表现出准周期性的不稳定特征。Hasmatuchi[48]研究了水泵水轮机非设计工况下的旋转失速现象,采用高速相机获得了导叶内失速区的发展过程,并获得了对应的低频压力特征值。Cheah[49]对离心泵小流量工况下的蜗壳内流动分离现象进行研究,发现蜗壳不同位置的流动结构差别较大,蜗壳内的流动分离区由隔舌附近的双涡流结构逐渐演化为扩压器区域的单涡结构。Sinha M[50,51]利用PIV对离心泵内部旋转失速现象的初生和发展变化规律进行了研究,结果表明随着流量的减少,导叶流道内失速团的泄漏和回流逐渐增强,失速团由一个流道扩散到两个流道。
当离心泵在外特性不稳定工况下运行时,各种内部不稳定流动结构产生机理及其对离心泵系统运行稳定的影响程度不同,具有各自独立的时频特性。但是目前对离心泵内部流动不稳定的实验研究相对不够充分,也没有完全掌握各类不稳定流动的独立和联合作用机理。采用实验方法实现不稳定流动的捕捉及其特征提取是开展离心泵内部不稳定流动研究的基础,是验证离心泵内部流动数值计算和不稳定表征的主要依据。