噴水推進(jìn)泵內(nèi)窺式非定常流場測(cè)量技術(shù)

馮 超， 王宗龍， 楊孟子， 朱華倫

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引言

噴水推進(jìn)泵是一種應(yīng)用于高性能船舶［1］的動(dòng)靜耦合旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置，泵內(nèi)流場屬于復(fù)雜不穩(wěn)定的三元非定常黏性湍流流動(dòng)場［2］，其流動(dòng)現(xiàn)象與水力性能、振動(dòng)噪聲有著密切關(guān)系［3］。為了更好地開發(fā)水力模型與噴水推進(jìn)泵的工程應(yīng)用，通過試驗(yàn)加強(qiáng)對(duì)泵內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象、流動(dòng)物理過程、過流部件與介質(zhì)互相作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)，此外數(shù)值算法的可靠性與結(jié)果的準(zhǔn)確性，也迫切需要試驗(yàn)提供大量客觀且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

粒子圖像測(cè)速（PIV）是一種先進(jìn)的非接觸式測(cè)量手段，已在旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域廣泛運(yùn)用［4］。PIV 作為一種基于光學(xué)原理的測(cè)量方法，光路折射是引入誤差的重要因素［5］。從片光進(jìn)入流場到相機(jī)捕捉到粒子圖像，光的進(jìn)出需要經(jīng)過3 種折射率不同的介質(zhì)：水、有機(jī)玻璃和空氣［6］。為了解決傳統(tǒng)測(cè)量光路中由粒子圖像畸變引起的測(cè)量誤差，鑒于內(nèi)窺鏡技術(shù)在微創(chuàng)手術(shù)、內(nèi)腔檢查［7］、汽缸內(nèi)可視化等領(lǐng)域的成熟應(yīng)用［8］，嘗試將PIV技術(shù)與內(nèi)窺鏡技術(shù)相結(jié)合，組成了一套內(nèi)窺式PIV裝置，并對(duì)前置導(dǎo)葉泵內(nèi)非定常、周期性流場進(jìn)行了內(nèi)窺式PIV試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了噴水推進(jìn)泵內(nèi)多關(guān)鍵流域非定常流場的內(nèi)窺式PIV測(cè)量。

1 內(nèi)窺式PIV非定常流場測(cè)量技術(shù)

雖然內(nèi)窺式PIV技術(shù)能夠降低流場測(cè)量時(shí)的光路要求，并突破圖像畸變矯正算法不夠精確的局限，但是內(nèi)窺鏡與PIV系統(tǒng)結(jié)合時(shí)仍存在一些適配性問題［9］，如內(nèi)窺鏡與相機(jī)匹配、內(nèi)窺鏡與試驗(yàn)段密封、泵內(nèi)標(biāo)定及跨幀圖像間粒子互相關(guān)性較弱等［10］。為了解決內(nèi)窺式PIV技術(shù)存在的技術(shù)難題，提升其在泵內(nèi)狹小空間流場的測(cè)量水平，對(duì)上述技術(shù)難題進(jìn)行了深入研究，以形成適用于噴水推進(jìn)泵全流域的內(nèi)窺式非定常流場測(cè)量技術(shù)。

1.1 內(nèi)窺鏡與相機(jī)匹配

光纖類內(nèi)窺鏡廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)探傷領(lǐng)域，其散射及光強(qiáng)較弱［11］，而硬性管道式內(nèi)窺鏡由消色透鏡及柱狀透鏡組合而成，通過減少空氣與透鏡的邊界，提高傳輸圖像的空間分辨率、亮度及對(duì)比度［12］，因此選用工業(yè)硬性管道式內(nèi)窺鏡。硬性管道式內(nèi)窺鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 硬性管道式內(nèi)窺鏡

內(nèi)窺鏡與相機(jī)需要通過適配口（見圖2）相互連接來形成圖像通路，如圖3 所示。以相機(jī)電荷耦合器件（CCD）大小、被測(cè)區(qū)域面積、內(nèi)窺鏡成像范圍為參數(shù)，內(nèi)窺鏡不干擾泵內(nèi)流場以及成像圈幾乎覆蓋整個(gè)相機(jī)CCD為原則，計(jì)算適配口長度、內(nèi)窺鏡與被測(cè)平面距離，保證內(nèi)窺鏡與相機(jī)CCD 芯片之間最佳的成像相距，如圖4 所示，黃色為成像圈。同時(shí)，為了有效避免內(nèi)窺鏡成像時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的桶形畸變，經(jīng)過計(jì)算，流場圖像分辨率為1.7 mm。

圖2 適配口

圖3 內(nèi)窺鏡與相機(jī)連接

圖4 CCD芯片上的成像圈

1.2 跨幀粒子互相關(guān)性

鑒于內(nèi)窺鏡景深較大的成像特性［13］，當(dāng)兩束跨幀激光沒有嚴(yán)格重合于同一平面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)由于粒子圖像間互相關(guān)性較弱而導(dǎo)致的流場測(cè)量誤差問題［14］。通過調(diào)節(jié)激光器內(nèi)部、導(dǎo)光臂入口反射鏡，使兩束激光圓斑在導(dǎo)光臂出口的圓度和重合度以及最終的片光重合度均達(dá)到最佳狀態(tài)，最后檢查并調(diào)整激光衰減器，使兩束激光能量盡可能保持一致，如圖5 所示，達(dá)到消除跨幀圖像間粒子互相關(guān)性較弱現(xiàn)象的目的，提高速度矢量測(cè)量準(zhǔn)確度。通過以上關(guān)鍵技術(shù)研究，結(jié)合常規(guī)PIV試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械鎖相測(cè)量方法，形成了一套適用于噴水推進(jìn)泵的內(nèi)窺式非定常流場測(cè)量技術(shù)。經(jīng)過初步計(jì)算，應(yīng)用本技術(shù)可完成75.8%的關(guān)鍵流域顯示。對(duì)一臺(tái)前置導(dǎo)葉泵進(jìn)行了全流域非定常流場測(cè)量，試驗(yàn)段如圖6 所示。為了減少激光反射以達(dá)到較好的測(cè)量效果，對(duì)試驗(yàn)段架設(shè)遮罩布，如圖7 所示。

圖5 片光重合度矯正與能量調(diào)節(jié)

圖6 內(nèi)窺式PIV流場測(cè)量試驗(yàn)段

圖7 架設(shè)遮罩布的試驗(yàn)段

2 結(jié)果與分析

將前置導(dǎo)葉泵內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場等分為5 個(gè)相位，各相位如圖8 所示。對(duì)1.0Qd（額定流量）、1.1Qd、0.9Qd工況下葉輪后、靜動(dòng)間、導(dǎo)葉前非定常、周期性流場開展了內(nèi)窺式PIV試驗(yàn)。

圖8 各相位分布

2.1 葉輪出口流場

葉輪出口各工況下速度分布相似，故只列舉1.0Qd工況下各相位徑向速度、軸向速度及合速度云圖，如圖9 所示。

圖9 1.0Qd 工況下各相位葉輪出口徑向速度、軸向速度及合速度云圖

葉輪出口流場以軸向速度為主導(dǎo)，徑向速度較小，說明該泵徑向能量回收較好。由圖9 可見明顯的流動(dòng)分離現(xiàn)象。葉片壓力面與吸力面的壓差誘導(dǎo)壓力面附近液流經(jīng)葉片隨邊后向吸力面流動(dòng)，但與葉片間流道主流方向干涉，導(dǎo)致葉片隨邊后液流速度減緩，形成流動(dòng)分離帶。隨著葉輪在泵內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，流動(dòng)分離帶自Phase A向Phase E 由下而上周期性移動(dòng)。以流動(dòng)分離帶為界，軸向速度存在明顯的流動(dòng)高速區(qū)與低速區(qū)，分別對(duì)應(yīng)葉片的壓力面與吸力面。徑向速度也存在由流動(dòng)分離帶分割的高速區(qū)與低速區(qū)，但與軸向速度相反，分別對(duì)應(yīng)葉片的吸力面與壓力面，說明壓力面泄漏流與主流的相互干涉也會(huì)形成徑向速度。此外，小流量工況下徑向速度略微變大，軸向速度主導(dǎo)趨勢(shì)削弱，這是小流量工況振動(dòng)較大的誘因之一。

2.2 靜動(dòng)間流場

靜動(dòng)間各工況下速度分布相似，故只列舉1.0Qd工況下各相位徑向速度、軸向速度及合速度云圖，如圖10 所示。

圖10 1.0Qd 工況下各相位靜動(dòng)間徑向速度、軸向速度及合速度云圖

靜動(dòng)間流場雖然仍以軸向速度為主導(dǎo)，但是軸向速度低于葉輪出口，而徑向速度明顯高于葉輪出口，同時(shí)越接近葉輪進(jìn)口徑向速度越小，說明靜動(dòng)干涉會(huì)引起流動(dòng)速度紊亂或分布不均勻［15］。葉輪除了作為前置導(dǎo)葉泵的做功部件外，同時(shí)使經(jīng)過導(dǎo)葉預(yù)旋后的液流徑向速度逐步減小，起到一定的整流作用。由圖10 可見明顯的流動(dòng)速度周期性脈動(dòng)現(xiàn)象。葉輪進(jìn)口附近流速自Phase A加速至Phase C后減弱，說明該流動(dòng)不穩(wěn)定，會(huì)引起泵體振動(dòng)、噪聲等現(xiàn)象，而且周期性脈動(dòng)區(qū)域主要集中于60% ～70%葉高附近，該區(qū)域?yàn)槿~片做功部位。

2.3 導(dǎo)葉進(jìn)口流場

導(dǎo)葉進(jìn)口各工況下速度分布相似，故只列舉1.0Qd工況下各相位徑向速度、軸向速度及合速度云圖，如圖11 所示。

圖11 1.0Qd 工況下各相位導(dǎo)葉進(jìn)口徑向速度、軸向速度及合速度云圖

各工況下導(dǎo)葉進(jìn)口前相位流速分布大致相似，說明導(dǎo)葉為非旋轉(zhuǎn)部件，鎖相測(cè)量對(duì)導(dǎo)葉附近流場觀察意義不大。前導(dǎo)流帽對(duì)于高速均勻來流有輕微阻流效應(yīng)，導(dǎo)致其附近液流徑向速度加大。泵的抽吸作用使液流在導(dǎo)葉進(jìn)口前有明顯的整體加速現(xiàn)象，而輪轂由于壁面效應(yīng)，其附近軸向速度有減弱趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）將內(nèi)窺技術(shù)與PIV 技術(shù)相結(jié)合，形成了一套適用于噴水推進(jìn)泵的內(nèi)窺式非定常流場測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了泵內(nèi)全流域精細(xì)化測(cè)量。

（2）基于噴水推進(jìn)泵內(nèi)窺式非定常流場測(cè)量技術(shù)，對(duì)前置導(dǎo)葉泵內(nèi)全流域、多工況、非定常、周期性流場進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析并結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。

（3）根據(jù)噴水推進(jìn)泵內(nèi)窺式非定常流場測(cè)量技術(shù)得到的試驗(yàn)結(jié)果，初步獲得了前置導(dǎo)葉泵不同工況下全流域內(nèi)非定常流動(dòng)規(guī)律及過流部件與介質(zhì)相互作用的機(jī)理特性。

·名人名言·

天才的最基本的特性之一——是獨(dú)創(chuàng)性或獨(dú)立性，其次是它具有的思想的普遍性和深度，最后是這思想與理想對(duì)當(dāng)代歷史的影響，天才永遠(yuǎn)以其創(chuàng)造開拓新的、未之前聞，或無人預(yù)料的現(xiàn)實(shí)世界。

——?jiǎng)e林斯基