)激光的激发下，发生能级跃迀而散射出区别于背景灰度的荧光。粒子图像的采集为激光的触发与CCD相机的捕捉同步进行，并在给定的非常小的时间间隔内拍摄两幅粒子图像，组成一对，称之为粒子图像对。所述时间间隔，根据流场的速度大小与分布有所不同，一般为毫秒或微秒级。将采集的粒子图像对经图像的相关算法处理，即可得到图像上每个微分区域在所述时间间隔内的位移，由于所述时间间隔是给定的，因此测量区域内每个微分区域的速度由位移除以时间间隔可得，由此可得测量区域4、12内的场瞬态速度分布。采用上述实验方法获取的不同双吸离心泵出口流量下测量区域4、12的区域平均速度曲线分别如图4、图5所示，相应的时均速度分布则分别由图6 (a)、图7(a)与图8 (a)、图9 (a)给出。
[0024]与此同时，对所述双吸离心泵进行三维建模，获取所述双吸离心泵的三维流体区域，而后对所得流体区域进行网格划分，获得数值模拟所需的双吸离心泵网格。在与实验结果相同的进口 13、出口 14条件下(所述条件一般为进出口压力或流量)通过选择合适的湍流模型、边界与初始条件及流体物性等数值求解N-S方程，初步求得双吸离心泵内流场的数值模拟结果。最后从全局数值结果中抽取出PIV测量区域4、12内的速度分布。上述数值方法初步计算获取的不同双吸离心泵出口流量下测量区域4、12的区域平均速度曲线分别如图4、图5所示，相应的时均速度分布则分别由图6 (b)、图7 (b)与图8 (b)、图9 (b)给出。
[0025]由PIV实验结果对所得数值结果进行校准，具体实施方法如下:
通过对比分析图4与图5的数值结果与实验结果可知，测量区域4、12的区域平均速度随离心泵出口流量的不同其变化趋势总体上较为一致，但在局部流量点出现较大偏差；比较不同流量下测量区域4、12的时均速度分布可知，测量区域4的数值结果与实验结果更为一致，而在区域12这两者的偏差较大。上述两点都表明初步的数值模拟结果与实验结果虽然总体上较为接近但仍不够精确，需要对数值模拟方案进行调整优化以获得满足准确度要求的数值结果。所述数值模拟方案调整优化，如网格重新划分、湍流模型、边界与初始条件、迭代方法的调整等等，进一步改进优化数值结果，使之与实验结果相吻合，反复进行上述步骤直至数值与实验结果的偏差达到实际要求，最终确立准确可靠的离心泵内流场数值模拟方案。
[0026]本发明方法通过上述方案实现对离心泵内部流场数值模拟结果的校准。
【主权项】
1.一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于:在离心泵蜗壳的压水室叶顶间隙开1~3个近似以叶轮旋转中心轴线为中心的扇形窗口，在压水室出口开有I个近似为矩形与离心泵叶轮中心回转面平行的窗口 ；各窗口由高强度透明盖板通过螺栓固定在泵壳上，透明盖板与泵壳之间垫有密封圈，紧固的螺栓沿透明盖板四周均匀分布；在各窗口于叶轮中心回转面的投影靠近泵壳外缘一侧分别开有细缝，细缝长度覆盖窗口相应侧面的边缘长度，同时其两端分别留有一定的延伸长度，细缝由高强度透明盖板通过螺栓固定在泵壳上，透明盖板与泵壳之间垫有密封圈，紧固的螺栓沿透明盖板四周均匀分布； 进行泵内流场PIV实验测量时，激光片光通过所述细缝透过透明盖板照亮测量区域，测量区域的粒子图像则由CCD相机透过相应测量区域的窗口进行捕捉，示踪粒子则采用玻璃微珠、罗丹明事先均匀混入循环水池，在水泵运行一段时间后自行混合均匀；粒子图像的采集为激光的触发与CCD相机的捕捉同步进行，并在给定的非常小的时间间隔内拍摄两幅粒子图像，组成一对，得到粒子图像对； 将采集的粒子图像对经图像处理，得到图像上每个微分区域在所述时间间隔内的位移，由于所述时间间隔是给定的，因此测量区域内每个微分区域的速度由位移除以时间间隔可得，由此可得测量区域内的场瞬态速度分布； 与此同时，对所述离心泵进行三维建模，获取所述离心泵的三维流体区域，而后对所得流体区域进行网格划分，获得数值模拟所需的离心泵网格；在与实验结果相同的进出口条件下通过选择合适的湍流模型、边界与初始条件及流体物性求解N-S方程，初步求得离心泵内流场的数值模拟结果；最后从全局数值结果中抽取出PIV测量区域内的速度分布，由PIV实验结果对所得数值模拟结果进行校准:该校准是指对数值模拟方案进行调整优化以获得满足准确度要求的数值结果；所述数值模拟方案调整优化采用网格重新划分、湍流模型、边界与初始条件、迭代方法的调整，进一步改进优化数值结果，使之与PIV实验结果相吻合，反复进行调整直至数值模拟结果与PIV实验结果的偏差达到实际要求，最终确立准确可靠的离心泵内流场数值模拟方案。
2.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于:所述粒子图像是指CCD相机采集的测量区域的图像上有示踪粒子在选定波长激光的激发下，发生能级跃迀而散射出区别于背景灰度的荧光。
3.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于:所述的扇形窗口沿叶轮的包络圆周接近均匀分布，窗口的高度K为叶轮中心回转面上过窗口中心线的压水室壁面与叶轮旋转中心轴线之间的距离兄与叶轮外缘半径&的差值Rw-Ry,窗口的长度&为I DrID0,化为水泵出口直径。
4.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于:所述的压水室出口的窗口高度私为0.8 Dr\.2D0,长度L0% I D0~2D0。
5.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于:所述的细缝与各透明窗口一一对应，并完全覆盖各窗口在叶轮中心回转面上的投影靠近压水室壁面一侧的外缘，同时细缝两侧分别向外延伸5mm-10mm，所述细缝的宽度为2mm-4mm0
6.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于:所述透明盖板的厚度根据材料与水泵内部压力的不同为10mm-30mm。
7.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于:所述螺栓根据离心泵内部压力的不同为M6~M20。
8.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于:所述PIV实验的判问域为透明窗口在与透明窗口平行且过相应细缝中心线的平面上的投影区域。
9.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于:所述离心泵内的数值模拟结果与PIV实验采用的离心泵原型具有相同的几何尺寸及结构、相同的进口流量，对比分析时从数值模拟结果中预先提取出与Piv实验的判问域对应的窗口范围内的速度矢量场。
【专利摘要】本发明涉及一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法。本发明通过对离心泵原型叶顶间隙与压水室出口等特定区域的机械改造，实现这些特定测量区域的透明可视。利用PIV技术测量这些特定区域的瞬态整场速度分布，同时获取其区域平均速度等统计特征参数，进而对比分析所述特定区域上PIV实验结果与数值仿真结果，包括速度矢量在该特定区域的整体分布特性、平均速度等统计特征参数，定量检验数值结果的准确度，反复改变数值过程的关键参数如流体域、网格、初始条件、计算模型等以修正数值结果，由此达到校准离心泵内流场数值结果的目的。本发明方法实验成本低、周期短、具有更强的适用性与可行性。
【IPC分类】F04D15-00
【公开号】CN104696233
【申请号】CN201510104879
【发明人】包福兵, 李楠, 狄辉彬, 凃程旭
【申请人】中国计量学院
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月10日