示蹤粒子跟隨性在離心泵內流場PIV測試研究

摘要：選擇合適的流場是保證PIV實驗精度至關重要的一環，選擇示蹤粒子的依據是流場。由于固液兩相流的理論，人們要重點考慮黏性阻力和旋轉因素，分析考慮粒子承受力的情況。在完全準備充足后在BBO方程給出的基礎上引入外部的勢力，在建立了拉格朗日運動方程后，由此推導出PIV公式。通過利用結果來計算跟隨程度，從而得出正確的結論。

關鍵詞：離心泵；示蹤粒子；跟隨性；粒子圖像測速儀；流場；PIV測試 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH311 文章編號：1009-2374（2015）29-0018-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.29.009

1 BBO方程改進

加少量示蹤粒子可忽略相互作用力，也可不考慮反彈力以及Magus和Saffman升力。固體粒子所受的黏性阻力各不相同，所以需要具體分析。黏性阻力定義為：

每種類型的離心泵離心力，彎曲運動從葉輪離心壓力Fr引起的轉動圓周運動的顆粒通過兩個彎曲離心力所造成的流動路徑的FR。葉輪旋轉會產生附加的Fc科里奧利力加的重力Fg和浮力Ff統稱為圖1中所示的外部力F，外力。

從等式（1）中可以看出：只有在外部力F，這是決定本身的離心旋轉特性BBO方程不同。

2 離心式粒子派生跟隨推導

使用相同的分析方法和水力旋流器，所述方程適用于離心水泵沿不同方向示蹤粒子的運動，除外部勢力外其余部分是相同的。

3 示蹤粒子跟隨性的估算與分析

白顏色的A1203粒子的密度要比水的密度大。可是它的成本低廉，而且散射效果也相對比較好。目前在我國有很多的研究者都看重了白色A1203粒子的這一特點，將其利用在離心泵內流場PIV的實驗中，取得了預期的好效果。因為它是密集的顆粒，必不可少的實驗的成功開展了財產評估和有效判斷后，用有效的估算來預測它，是否能夠滿足實驗室要求和較高的精度。

查看下面的圖2，為了更好地使用PIV測試葉輪S1，位置和流量區域時的相對速度矢量場，這是一個使用的PIV的平均相對速度取相同的位置，與治療的平均結果相比被獲得。

位置圖2PIV相對速度矢量圖及拍攝位置，它不在任何時間與液體的速度，然后處理后的使用的PIV的平均結果可在離心力W頻率范圍內考慮改變粒子計數拍照的相對速度矢量的PIV顆粒圖像W*=0，我們是在圓周方向上分別徑向幅值比和相位差：

由式（2）至式（5）中可以看出：

使用的PIV得到平均結果通過在流體與相位的粒子上可以看出是大小相等的，但還是有區別的。實際上，相平均使用的治療PIV結果實際上就是平均粒子速度的處理結果。這樣做的后果是客觀存在沒有反映在流體和顆粒，運動湍流的影。從上述得出，只有當流離心泵假定穩流，它可以使用上述公式。

使用式（2）至式（5）的平均場速度（參見圖2）以下的估計計算為這里示蹤粒子在表1所示的速率，直徑為8μm，粒子的密度為4.0×103kg/m3，X和Y坐標，分別表示在圖2a中的位置，推一些有代表性的監測點的軌跡，在圖2b中示出的監測點的位置上。

由此可以看出：不考慮湍流頻率的作用，這些粒子的速度可能不代表水的速度，這是因為離心旋轉和沖擊引起它的彎曲。由于不同的葉輪角度的運動方向，因此，當示蹤粒子跟隨水的運動，其速度和水的速度是不一樣的，這是因為該離心泵同時旋轉離心力引起行動的出現由于徑向。如果在圓周方向上的粒子來達到0.99或更大的流速，這表明完全遵循示蹤粒子的線在周邊區域是良好的，但是在徑向這方面的跟隨性就相差了很多，它們的幅值比基本都超不過1.01，在其中的水的流速和最大誤差相對顆粒中的速度應為4.55%。總之，直徑顆粒和周向粒子在跟隨性問題中，后者比前者的跟隨性復雜很多。我們可以注意到，周向跟隨精度是非常高的，這說明選擇的粒子的直徑都相對較小，最大的直徑只有8.00μm。在另一個方面，也不能忽視它的湍流中的頻率的作用。如果考慮到這個湍流的頻率（78.15）的影響，作為一個參數，選擇較大粒徑50μm，當這些參數不發生變化的話，其跟隨性和湍流頻率的關系如表2：

由表2可以看出：離心泵周向、湍流頻率和粒子的跟隨性關系是成反比的，特別是當高湍流頻率時更為顯著。對于跟隨性，離心泵的徑向和湍流頻率對其影響比較復雜，當振幅發生在一定的頻率比非常接近，當頻率超大或是超小，暫時似乎遵循自然時在工作的狀態下滑明顯的勢態，借此我們完全可以斷定頻率過于動蕩肯定會影響到示蹤粒子的跟隨性。這表明，當使用PIV被瞬間圖像測量時，不使用平均處理階段是一個很重要的原因，粒子遵循研究應考慮到湍流的影響，我們需要使用上述公式來評估。在現實中，湍流頻率離心泵變化無常，是一個高度復雜的頻率，因為我們的技術無法達到每一點在確定頻率的湍流。研究人員以前遇到這種問題時，他們的方法是使用最動蕩的頻率與選擇最好的示蹤粒子，其次照這樣的選擇對于低頻，以獲得更好

效果。

4 結語

（1）在考慮主葉輪旋轉產生影響的顆粒在運動和曲率所造成影響的基礎上，我們可以根據離心泵流體力學和固液兩相流理論的原則，BBO方程為實施進一步的改進和完善，同時引進外部的力F，對于這個特殊的旋轉下成立的示蹤粒子的數學模型的離心場的動蕩。（2）調整后的離心式泵產生的BBO方程，我們可以分析離心泵內示蹤粒子的跟隨性與粒子本身的特殊性能有著密切的關系，同時也與離心泵內部流場的一些物理形態有著相當大的關系，同一粒子的參數在不同的離心泵內其流場的跟隨性也完全是不一樣的，通過上述的理論依據和條件，為在PIV離心泵如何適當的對示蹤粒子更好的選擇，給予了有價值的參考方法。（3）由于種種物理現象的原因，粒子運行的速度與水流的速度是有很大差別的，結果在PIV離心泵中，采用加工階段平均法，粒子與水流速度的差別依然不變。隨后4.55%的最高速度上的差異，主要是由于葉輪旋轉的影響和曲率造成這種差距。不僅測試使用估計，檢測PIV選定示蹤粒子是可行性誤差的范圍內，但也有必要解決離心泵隨后沿很好示蹤粒子的PIV問題的水平，根據該修正上述參數，在實驗中的流場，以測試鄰近流場的真實效果離心PIV的效果。

參考文獻

[1] Paffel M，Willert C Kompenhans J.Particle Image Velocimetry A Practical Guide[M].New York：Springer-Verlag，2013.

[2] 黃社華，魏慶鼎.激光測速粒子對復雜流動的響應特性研究——I顆粒非恒定運動數學模型及其數值方法[J].水科學進展，2013，14（1）.

作者簡介：張樂祿（1985-），男，江蘇南通人，南通醋酸纖維有限公司助理機械工程師，研究方向：機械設計制造及其自動化。

（責任編輯：周 瓊）