一种混流泵叶轮出口流场的piv测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于流体机械(栗)内部流动技术领域，尤其是涉及一种混流栗叶轮出口流场的Piv测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]PIV(Particle Image Velocity)即粒子图像测速技术是近些年来发展起来的一种新型内部流动测试技术，它突破了空间单点测量技术上的局限，可以在瞬间记录下某个截面内的流动信息，现在已广泛应用于水力机械的内部流动测量中，该方法具有高精度、高分辨率、对流场无干扰的优点。
[0003]混流栗是介于离心栗和轴流栗之间的一种栗，它的扬程比轴流栗高，但流量比轴流栗小，比离心栗大。其广泛应用于农田排灌、防涝排洪、工业市政、污水处理、造纸等各个领域。PIV拍摄技术已经运用在混流栗内部流场的研究当中，一般可以将叶轮段管路或导叶段管路加工成透明有机玻璃，通过PIV技术获得混流栗内部轴面流场的流动状态。但是，现有针对混流栗内流场研究的Piv测量方法还存在缺陷，其不能获取混流栗叶轮出口处垂直轴环面流场的速度分布，需要一种新的测量装置及方法来满足这一要求。
[0004]专利CN201310117499通过改变进口管路并在正对叶轮进口处设置有机玻璃凸台来拍摄叶轮进口截面处的流场流动状态。然而，该方法不仅改变了实验管路的结构，使得轴流栗进口流场的测量严重失真，而且由于叶轮的高速旋转，并不能实现叶轮内部和叶轮出口垂直轴环面流场的测量。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种混流栗叶轮出口流场的PIV测量装置及方法，实现对混流栗叶轮出口轴截面和垂直轴环面流场的PIV测量，进而全面反应叶轮出口处流场的流动规律。
[0006]本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0007]一种混流栗叶轮出口流场的PIV测量装置，包括叶轮、导叶、栗轴、前置进口管段、中间连接管段、后置出口管段以及PIV测量系统；所述叶轮和导叶通过栗轴连接在一起，叶轮通过平键固定在栗轴上；所述叶轮端壁安装有前置进口管段；所述导叶端壁安装有后置出口管段；所述前置进口管段和后置出口管段之间安装有中间连接管段，三者连接构成混流栗外栗体，外栗体内壁平滑过渡并成为光滑整体；所述中间连接管段整体由透明有机玻璃制成；所述后置出口管段管壁上开设有至少三个测量孔，所述测量孔处于导叶之间且正对导叶流道用于观察、测量叶轮出口垂直轴环面的流场；所述Piv测量系统包括CXD相机、激光片光源和计算机，所述CCD相机、激光片光源分别与计算机相连；所述激光片光源用于发射激光面曝光叶轮出口流场中的示踪粒子；所述CCD相机用于拍摄叶轮出口流场的流动状态。
[0008]进一步的，所述前置进口管段和后置出口管段分别与中间连接管段相连接的一端均设有法兰盘，两个所述法兰盘通过第一螺栓将前置进口管段、中间连接管段和后置出口管段依次连接。
[0009]进一步的，所述法兰盘内侧加工有环形凹槽，所述中间连接管段两端加工有与环形凹槽配合的凸台；所述环形凹槽内设置有O形圈。
[0010]进一步的，所述中间连接管段沿垂直轴线方向的内侧截面为圆形，沿垂直轴线方向的外侧截面为正方形。
[0011]进一步的，所述测量孔内设有透明有机玻璃件，所述透明有机玻璃件内壁与后置出口管段内壁形成光滑流道端壁；所述透明有机玻璃件通过第二螺栓固定于后置出口管段上。
[0012]进一步的，所述测量孔可以为圆孔或方孔或不规则孔。
[0013]进一步的，所述测量孔为圆孔；所述圆孔有三个，即第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔；所述第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔处于导叶之间且正对导叶流道用于观察、测量叶轮出口垂直轴环面的流场，圆孔轴线方向和栗轴方向平行；所述第一圆孔和第二圆孔正对相邻导叶流道，所述第三圆孔和第一圆孔或第二圆孔之间相隔至少一个导叶流道。
[0014]一种混流栗叶轮出口流场的PIV测量方法，包括如下步骤:
[0015]S1:将激光片光源置于中间连接管段正上方，CXD相机垂直于激光片光源且正对中间连接管段中的叶轮出口轴截面流场区域；
[0016]S2:当激光片光源发射平行于栗轴的激光面曝光叶轮出口轴截面流场中的示踪粒子时，CCD相机以垂直激光片光源的方向对准中间连接管段内的待测区域拍摄，获得不同时刻叶轮出口轴截面流场的图像信息；
[0017]S3:将CCD相机放置于正对所述测量孔位置处，CCD相机镜头的轴线和测量孔的轴线重合；激光片光源置于中间连接管段的正上方，发射垂直于栗轴的激光面曝光叶轮出口垂直轴环面流场中的示踪粒子，将CCD相机对准中间连接管段内的待测区域拍摄，获得不同时刻叶轮出口垂直轴环面流场的图像信息；
[0018]S4:将步骤S2中所述叶轮出口轴截面流场的图像信息和S3中所述叶轮出口垂直轴环面流场的图像信息通过后处理最终得到叶轮出口整个流场的速度云图。
[0019]进一步的，步骤S3中所述测量孔有3个，即为第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔；该步骤中还包括将CCD相机分别放置于正对第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔处获得不同时刻叶轮出口垂直轴环面流场的图像信息的步骤。
[0020]进一步的，步骤S4中所述后处理步骤为:将步骤S2中所述叶轮出口轴截面流场的图像信息和S3中所述叶轮出口垂直轴环面流场的图像信息通过Insight 3G和Tecplot软件根据互相关算法可以得到每个粒子在叶轮出口处的速度大小以及方向，得到整个流场的速度云图。
[0021]本发明的有益效果:
[0022]本发明所述的混流栗叶轮出口流场的PIV测量装置及方法，通过在前置进口管段和后置出口管段之间设置由透明有机玻璃制成的中间连接管段，通过在后置出口管段管壁上开设测量孔，在不改变混流栗流道结构和不影响真实流动状态情况下，实现了混流栗叶轮出口轴截面流场、垂直轴环面流场的PIV测量；通过开设多个测量孔，分别获取叶轮出口垂直轴环面流场图像信息，比较分析相邻流道、间隔流道出口处流场分布的差异，以便更加准确、更加全面的掌握叶轮出口处流场的流动规律。
【附图说明】
[0023]图1为本发明所述混流栗叶轮出口流场PIV测量装置的结构图。
[0024]图2为本发明所述后置出口管段左视图。
[0025]图3为本发明所述中间连接管段左视图。
[0026]附图标记说明如下:
[0027]图中:1-后置出口管段，2-第一螺栓，3-中间连接管段，4-前置进口管段，5-导叶，6-叶轮，7-栗轴，8-平键，9-法兰盘，10-0形圈，11-CCD相机，12-透明有机玻璃件，13-第二螺栓，14-激光片光源，15-计算机，16-第一圆孔，17-第二圆孔，18-第三圆孔。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0029]如图1所示，一种混流栗叶轮出口流场的PIV测量装置，包括叶轮6、导叶5、栗轴7、前置进口管段4、中间连接管段3、后置出口管段I以及PIV测量系统；所述叶轮6和导叶5通过栗轴7串联在一起，叶轮6通过平键8固定在栗轴7上并随栗轴7旋转。
[0030]所述叶轮6端壁安装有前置进口管段4 ;所述导叶5端壁安装有后置出口管段I ;所述前置进口管段4和后置出口管段I之间安装有中间连接管段3 ;所述前置进口管段4和后置出口管段I分别与中间连接管段3相连接的一端均设有法兰盘9，两个所述法兰盘9通过第一螺栓2将前置进口管段4、中间连接管段3和后置出口管段I依次连接；所述法兰盘9内侧加工有环形凹槽，所述中间连接管段3两端加工有与环形凹槽配合的凸台；所述环形凹槽内设置有O形圈10，并构成混流栗外栗体，外栗体内壁平滑过渡并成为光滑整体。
[0031]所述中间连接管段3整体由透明有机玻璃制成；如图3所示，所述中间连接管段3沿垂直轴线方向的内侧截面为圆形，沿垂直轴线方向的外侧截面为正方形。如图2所示，所述后置出口管段I管壁上开设有至少三个测量孔，所述测量孔处于导叶5之间且正对导叶流道用于观察、测量叶轮出口垂直轴环面的流场；所述测量孔内设有透明有机玻璃件12，装配后使得圆孔不渗水，所述透明有