喷水推进泵内窥式非定常流场测量技术

冯 超， 王宗龙， 杨孟子， 朱华伦

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引言

喷水推进泵是一种应用于高性能船舶［1］的动静耦合旋转机械装置，泵内流场属于复杂不稳定的三元非定常黏性湍流流动场［2］，其流动现象与水力性能、振动噪声有着密切关系［3］。为了更好地开发水力模型与喷水推进泵的工程应用，通过试验加强对泵内流动现象、流动物理过程、过流部件与介质互相作用机理的认识，此外数值算法的可靠性与结果的准确性，也迫切需要试验提供大量客观且准确的数据。

粒子图像测速（PIV）是一种先进的非接触式测量手段，已在旋转机械领域广泛运用［4］。PIV 作为一种基于光学原理的测量方法，光路折射是引入误差的重要因素［5］。从片光进入流场到相机捕捉到粒子图像，光的进出需要经过3 种折射率不同的介质：水、有机玻璃和空气［6］。为了解决传统测量光路中由粒子图像畸变引起的测量误差，鉴于内窥镜技术在微创手术、内腔检查［7］、汽缸内可视化等领域的成熟应用［8］，尝试将PIV技术与内窥镜技术相结合，组成了一套内窥式PIV装置，并对前置导叶泵内非定常、周期性流场进行了内窥式PIV试验研究，实现了喷水推进泵内多关键流域非定常流场的内窥式PIV测量。

1 内窥式PIV非定常流场测量技术

虽然内窥式PIV技术能够降低流场测量时的光路要求，并突破图像畸变矫正算法不够精确的局限，但是内窥镜与PIV系统结合时仍存在一些适配性问题［9］，如内窥镜与相机匹配、内窥镜与试验段密封、泵内标定及跨帧图像间粒子互相关性较弱等［10］。为了解决内窥式PIV技术存在的技术难题，提升其在泵内狭小空间流场的测量水平，对上述技术难题进行了深入研究，以形成适用于喷水推进泵全流域的内窥式非定常流场测量技术。

1.1 内窥镜与相机匹配

光纤类内窥镜广泛应用于医学、工业探伤领域，其散射及光强较弱［11］，而硬性管道式内窥镜由消色透镜及柱状透镜组合而成，通过减少空气与透镜的边界，提高传输图像的空间分辨率、亮度及对比度［12］，因此选用工业硬性管道式内窥镜。硬性管道式内窥镜内部结构如图1 所示。

图1 硬性管道式内窥镜

内窥镜与相机需要通过适配口（见图2）相互连接来形成图像通路，如图3 所示。以相机电荷耦合器件（CCD）大小、被测区域面积、内窥镜成像范围为参数，内窥镜不干扰泵内流场以及成像圈几乎覆盖整个相机CCD为原则，计算适配口长度、内窥镜与被测平面距离，保证内窥镜与相机CCD 芯片之间最佳的成像相距，如图4 所示，黄色为成像圈。同时，为了有效避免内窥镜成像时产生严重的桶形畸变，经过计算，流场图像分辨率为1.7 mm。

图2 适配口

图3 内窥镜与相机连接

图4 CCD芯片上的成像圈

1.2 跨帧粒子互相关性

鉴于内窥镜景深较大的成像特性［13］，当两束跨帧激光没有严格重合于同一平面时，会出现由于粒子图像间互相关性较弱而导致的流场测量误差问题［14］。通过调节激光器内部、导光臂入口反射镜，使两束激光圆斑在导光臂出口的圆度和重合度以及最终的片光重合度均达到最佳状态，最后检查并调整激光衰减器，使两束激光能量尽可能保持一致，如图5 所示，达到消除跨帧图像间粒子互相关性较弱现象的目的，提高速度矢量测量准确度。通过以上关键技术研究，结合常规PIV试验、旋转机械锁相测量方法，形成了一套适用于喷水推进泵的内窥式非定常流场测量技术。经过初步计算，应用本技术可完成75.8%的关键流域显示。对一台前置导叶泵进行了全流域非定常流场测量，试验段如图6 所示。为了减少激光反射以达到较好的测量效果，对试验段架设遮罩布，如图7 所示。

图5 片光重合度矫正与能量调节

图6 内窥式PIV流场测量试验段

图7 架设遮罩布的试验段

2 结果与分析

将前置导叶泵内旋转流场等分为5 个相位，各相位如图8 所示。对1.0Qd（额定流量）、1.1Qd、0.9Qd工况下叶轮后、静动间、导叶前非定常、周期性流场开展了内窥式PIV试验。

图8 各相位分布

2.1 叶轮出口流场

叶轮出口各工况下速度分布相似，故只列举1.0Qd工况下各相位径向速度、轴向速度及合速度云图，如图9 所示。

图9 1.0Qd 工况下各相位叶轮出口径向速度、轴向速度及合速度云图

叶轮出口流场以轴向速度为主导，径向速度较小，说明该泵径向能量回收较好。由图9 可见明显的流动分离现象。叶片压力面与吸力面的压差诱导压力面附近液流经叶片随边后向吸力面流动，但与叶片间流道主流方向干涉，导致叶片随边后液流速度减缓，形成流动分离带。随着叶轮在泵内高速旋转，流动分离带自Phase A向Phase E 由下而上周期性移动。以流动分离带为界，轴向速度存在明显的流动高速区与低速区，分别对应叶片的压力面与吸力面。径向速度也存在由流动分离带分割的高速区与低速区，但与轴向速度相反，分别对应叶片的吸力面与压力面，说明压力面泄漏流与主流的相互干涉也会形成径向速度。此外，小流量工况下径向速度略微变大，轴向速度主导趋势削弱，这是小流量工况振动较大的诱因之一。

2.2 静动间流场

静动间各工况下速度分布相似，故只列举1.0Qd工况下各相位径向速度、轴向速度及合速度云图，如图10 所示。

图10 1.0Qd 工况下各相位静动间径向速度、轴向速度及合速度云图

静动间流场虽然仍以轴向速度为主导，但是轴向速度低于叶轮出口，而径向速度明显高于叶轮出口，同时越接近叶轮进口径向速度越小，说明静动干涉会引起流动速度紊乱或分布不均匀［15］。叶轮除了作为前置导叶泵的做功部件外，同时使经过导叶预旋后的液流径向速度逐步减小，起到一定的整流作用。由图10 可见明显的流动速度周期性脉动现象。叶轮进口附近流速自Phase A加速至Phase C后减弱，说明该流动不稳定，会引起泵体振动、噪声等现象，而且周期性脉动区域主要集中于60% ～70%叶高附近，该区域为叶片做功部位。

2.3 导叶进口流场

导叶进口各工况下速度分布相似，故只列举1.0Qd工况下各相位径向速度、轴向速度及合速度云图，如图11 所示。

图11 1.0Qd 工况下各相位导叶进口径向速度、轴向速度及合速度云图

各工况下导叶进口前相位流速分布大致相似，说明导叶为非旋转部件，锁相测量对导叶附近流场观察意义不大。前导流帽对于高速均匀来流有轻微阻流效应，导致其附近液流径向速度加大。泵的抽吸作用使液流在导叶进口前有明显的整体加速现象，而轮毂由于壁面效应，其附近轴向速度有减弱趋势。

3 结论

（1）将内窥技术与PIV 技术相结合，形成了一套适用于喷水推进泵的内窥式非定常流场测量技术，实现了泵内全流域精细化测量。

（2）基于喷水推进泵内窥式非定常流场测量技术，对前置导叶泵内全流域、多工况、非定常、周期性流场进行了试验研究，通过对试验结果的分析并结合流体动力学相关理论，验证了该技术的可行性。

（3）根据喷水推进泵内窥式非定常流场测量技术得到的试验结果，初步获得了前置导叶泵不同工况下全流域内非定常流动规律及过流部件与介质相互作用的机理特性。

·名人名言·

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——别林斯基