流体机械叶轮内部流场测试技术进展

甄昊 章佳雷

摘要：在社会经济的带动下，石油化工、制冷、动力等领域在不断大力发展，由此促进了流体机械、水泵等的广泛应用，而相关机械设备对电能的消耗量十分巨大，在我国全年的电量消耗中占比超过了30%，因此为了推动国家经济建设的可持续发展，应从运行效率和可靠性等角度入手对这些设备做进一步加强。基于此，本文简要阐述了流体机械叶轮内部流场测试技术，以期对相关设备运行效率以及可靠性的提升具有一定推动作用.

关键词：流体机械叶轮;叶轮异常现象;内部流畅测试技术

在科学技术水平不断提升的背景下，我国流体机械叶轮机械的各方面性能都得到了显著提升，而且正在向着高效率、可靠以及小体积的方向不断发展。国内外对这种机械设备研究一直以来都特别重视，流体力学研究过程中主要使用的工具，分为实验流体力学和计算流体力学两种，可使用这两种工具获得流体机械叶轮的流场数据，从而判断机械的运行状态，以及制定改进方案，以此可有效促进流体机械各方面性能的进一步提升。

一、影响流体机械性能的主要原因

第一，叶轮汽蚀。汽蚀可以严重影响流体机械的性能，导致整体性能大幅度下降，比如当水泵的叶轮发生汽蚀后，可明显降低扬程和出水量，同时还会令叶轮出现过大震动，减少叶轮的工作寿命[1]。第二，设计制造。流体机械通常在设计制造阶段都会经过设计、制造、性能检测等多个环节，如果任何一个环节出现了问题都有可能导致无法顺利完成生产制造工作，而且会严重影响机械性能。因此，相关人员一直在提升设计制造的技术水平，比如使用CFD技术等，从而将各种能够影响机械性能的因素消灭设计阶段。第三，叶轮的匹配。叶轮和扩压器的匹配一直以来都是设计制造中的难题，需要从扩压器喉部面积、二者之间的间隙等多个角度入手加以调整，另外滑动式轴承以其性能稳定、匹配度高等备受关注，目前是流体机械的研究重点。

二、流体机械叶轮内部流场测试技术

通过内部流场测试判断流体机械的整体性能，然后根据整体性能判断相关原因，接下来再根据具体原因加以改进即可推动流体机械的进一步发展。

（一）流像化技术

通常可将叶轮机械内部流动看成是定常和轴对称的，以此为出发点，国外相关人员使用流像化技术测试了低转速径向叶轮离心泵内的流场状况，经过测试后发现，试验工况下的流动状况和理想状况之间存在一定差距，尤其在叶轮的出口位置的流动存在明显不均匀现象，发现是负压面上的死水区降低了叶片出口角度，同时在检测二维无粘流动的符合性也发现了在设计工况下，吸力面会产生回流，而且分离区会随着流量的减少而增加，因此轴对称流动假设被推翻[2]。另外，其他研究人员的监测也证明了这一点，由此断定死水区是必然存在的，但可以通过更新技术手段加以解决，从而减轻总压损失。

（二）热线风速仪技术

上世纪六十年代，国外科研人员深使用热线风速仪检测流体机械叶轮内部流场，发现在径向叶轮出口处的流动情况非常不均匀，不均匀性同样体现在了周围气流速度中，而且不能在其中发现规律，通常都会突然出现跳跃，由此提出了关于流体机械内部流场的射流-尾流理论[3]。这一理论的提出引发了该领域的科研热潮，随后经过不断研究发现，叶轮的吸力面是低能流的主要集中场所。

（三）激光测量技术

这项技术在上世纪70年代开始被广泛应用到流体机械叶轮内部流场的测试中，科研人员发现漩涡层存在滚动的低能流体，随后利用激光测量技术测试了主流速度和激光波，随后又有相关科研人员利用激光测量技术对径向出流压缩叶轮做了首次测试，对射流-尾流的形成过程做了详细的描述，同时对流动结构利用数值法做了模拟，初次提出了射流-尾流的模型，获得了相关领域的一致认可，同时也推动力了激光技术在流体机械叶轮内部流场测试中的普及，流体机械的后续发展提供了准确参考[4]。随着激光技术的不断发展，在流场测试中的应用也越发深入，能够测试的流动情况更加全面，明确了速度分布以及流动特征在叶轮内部和出口处的实际特征。测试后弯叶轮后发现，其内部流动并没有发生明显的分离，而且尾迹也不是特别明显，经过多次实验后发现，增大叶轮出口处的角度，顶线的速度也会随之提升，进而便会更容易产生的射流-尾流，反之则不容易出现的射流-尾流，同时详细界定了射流-尾流的出现条件。这一研究结果证明，如果调整叶轮的几何结构，那么完全可以改变其内部流场，因此从这一点入手提升流体机械的整体性能是完全可行的。

（四）粒子图像测速仪技术

激光测量技术为单点测量，其主要针对的是平均情况下的流场情况，在非定常流动的测量方面的表现不是特比理想，随后相关科研人员根据激光测量技术、计算机技术、激光电子技术研发了数字粒子图像测速仪，这种技术可以将截面内的所有流动信息全部记录，然后对截面上流场情况开展更全面、更彻底地分析，为提升流体机械内部性能打下了坚实基础[5]。

结束语：

综上所述，大量关于流体机械叶轮内部流场的研究，为机械性能的提升提供了有力保障，但目前影响机械性能的因素还无法彻底排除，因此相关研究还在继续，将推动流体机械综合性能的进一步提升。

参考文献：

[1]石大立，黄昭，陈加瑞，等.叶轮式流体机械基于数值模拟仿真软件的应用分析[J].数字技术与应用，2020，38（4）：3.

[2]Qingdong Yan，Linus Kirt，Wei Wei，等.基于单流道瞬态仿真的旋转流体机械伪集总叶片法研究[J].Beijing Ligong Daxue Xuebao/Transaction of Beijing Institute of Technology，2020，40（3）：243-249.

[3]闫清东，柯志芳，魏巍，等.基于单流道瞬态仿真的旋转流体机械伪集总叶片法研究[J].北京理工大学学报，2020，v.40;No.301（03）：17-23.

[4]李星.基于數值模拟的流体机械内部流动数值模拟方法研究[J].中国设备工程，2019（12）.

[5]苏博.基于XFLOW离心泵内部流场数值模拟[D].昆明理工大学，2019.

作者简介：甄昊（2000.12-），男，汉，吉林榆树，本科，单位：浙江理工大学，研究方向：流体机械。