基于水槽PIV技术探究不同转速涡轮的速度场论文_刘文泽

（济宁市第一中学 山东济宁 272000）

摘要：近年来，中国对涡轮进行了大量的研究。本实验通过PIV技术和高速CCD相机，对涡轮在不同转速（即不同电压）下顺时针、逆时针旋转的流场进行记录，并分别将旋转方向相同、转速不同时以及转速相同、旋转方向不同时的速度场进行了分析与对比。结果表明，涡轮顺时针转动与逆时针转动的流场大致呈中心对称；涡轮转动产生的流场中水速最大的区域附近发生众多流线的汇聚，造成几乎仅有一条很粗的流线，其斜率随涡轮转速的增大而减小；对于风涡轮，在制作其叶片的时候，应加强风涡轮叶尖处的叶片强度，并尽量减小叶片的迎风面积（尤其是叶尖）。

关键词： 流体力学；速度场；PIV；涡轮；转速

1 引言

涡轮是一种将流动工质的能量转换为机械功的旋转式动力机械，它是航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机的主要部件之一。它的历史并不遥远，中国一直也在努力研究。如彭茂林等[1]将涡轮叶片低周疲劳可靠性显著提高，稳健性得到极大提升；鲁中良等[2]显著缩短了预研涡轮叶片的制造周期，大大降低了生产成本。要想使中国对于涡轮的研究更上一层楼，必须大力加强对涡轮设计的研究。前人的众多研究成果告诉我们在研究涡轮之时，其涡发生、发展、湮灭的规律极其重要，于是，本实验利用航模上的水下推力器作为涡轮进行模拟实验，对不同转速下的涡轮速度场进行研究，其目的是为了了解涡轮的尾迹流场，探寻涡轮的工作机理，以便涡轮叶片设计时的改进。

2 实验仪器

2.1 PIV技术

即粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry），是一种非接触式的动态流场显示技术，其原理为：由脉冲激光光源发出的激光通过球面镜和柱面镜形成的片光源镜头组，照亮流场中一个很薄的面；在于激光面垂直方向的PIV专用跨帧CCD相机摄下流场层片中的流动粒子的图像，然后把图像数字化送入计算机，利用自相关或互相关原理处理，可以得到流场中的速度场、涡量场等分布。

2.2 涡轮模型

本实验采用航模上的水下推力器代替涡轮进行模拟实验。需采用直流电源供电，额定电压24V，可通过输入电压和速度控制旋钮控制转动速度和方向。

2.3 超声波清洗器

PIV技术示踪粒子在水中完全散开需借助超声波清洗器的震动，本实验采用KQ-100B型超声波清洗器。

3 实验结果

3.1 实验方法

将涡轮固定好放入水中，用高速CCD相机分别测出涡轮在8.2V和9.5V电压下顺时针、逆时针转动的情况，用Tecplot软件绘出速度矢量云图并分析。

3.2 数据分析

汤玲迪等[3]改进了进口水涡轮，提出了一种更加优化的水涡轮模型，对本实验启发很大。

图3 涡轮在9.5V电压顺时针旋转的速度矢量云图

图5 涡轮在9.5V下逆时针旋转的速度矢量云图

以上两幅图片先后顺序为从左到右。由于涡轮处水流速度较大（叶尖处水流速度最大，最大约为0.08m/s），其压强较小，四周的水被挤压至此，加之叶片顺时针转动，可以看到x轴80mm左侧水流向下移动，流经后速度产生明显的负变化，与之后流经原处的水发生对流，产生漩涡，且漩涡周围流场速度较大。且在x轴40mm，y轴60mm至80mm之间出现的漩涡十分明显，顺时针旋转，但漩涡位移不明显。将以上分析与涡轮在8.2V电压下转动几周的平均分析结果比较，相差不大，但更能清晰地看出在x轴44mm，y轴60mm至80mm处出现漩涡的右侧流场产生两个速度极值。

经过对比发现涡轮转速增大时，其低速转动时的漩涡不再产生，而是在y轴40mm上方，流场仅有轻微波动（略像正“S”型，越靠近低速区波动越明显）；在y轴40mm下方由于压强差被吸入的水流在靠近高速区时方向大都按原方向逆时针旋转90度，并与上方流过的水流汇合，形成速度较大的流场，几乎为一条流线。但若不关注涡轮在8.2V电压下顺时针转动产生的漩涡，其运动趋势与转速大时相符，但变化较明显。

接下来分析逆时针转动：

它们都无漩涡生成，在x轴100mm左侧的流场均有向高速区汇聚的趋势，在经过高速区后几乎形成一条流线，如果把此图看为平面直角坐标系，这条流线的斜率相差很大。而在x轴100mm右侧，y轴80mm上方的水流在快要接近这条汇合的流线时，速度大约按原来向下的方向逆时针旋转90度后与这条流线汇合，y轴80mm下方的水流都有成倒“S”的运动趋势，且离这条汇合的流线越远，其起伏越大（涡轮转速较大时的起伏高于转速较小时的起伏）。

将涡轮顺时针转动与逆时针转动的情况进行对比，发现若只保留顺时针旋转时x轴80mm左侧和逆时针旋转时x轴80mm右侧流线图，其流场大致呈中心对称。而对于涡轮在8.2V电压下顺时针转动出现漩涡而其它情况下均未出现的问题，可能由于实验误差造成。

4 结论

（1）涡轮顺时针转动与逆时针转动的流场大致呈中心对称。由数据分析可反推知涡轮的工作原理：涡轮转动时叶尖速度较大，压强较小，造成众多流线的汇聚，形成强大的动能，且叶片转速越大，其附近流场越垂直于涡轮，可以获得更大的动能。

（2）对于风涡轮：涡轮顺时针转动与逆时针转动的流场中都是叶尖处速度最大。在空气阻力系数一定的情况下，空气阻力的大小与迎风面积成正比，与速度平方成正比，而风涡轮在发电时的转速由风速大小决定，风速越大，转速越大，所以，在制作风涡轮叶片的时候，应加强风涡轮叶尖处的叶片强度，并尽量减小叶片的迎风面积（尤其是叶尖），以确保其所受空气阻力小，摩擦产生的热量少，提高风能利用率。这也符合现今风力机叶片形状的发展趋势。

参考文献

[1]彭茂林, 杨自春, 曹跃云,等. 涡轮叶片低周疲劳可靠性稳健设计优化研究[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(11):104-111.

[2]鲁中良,周江平,杨东升,荆慧,李涤尘.基于3D打印技术的预研涡轮叶片精铸蜡型快速制造方法[J].航空学报,2015,36(02):651-660.

[3]汤玲迪，袁寿其，邱志鹏．卷盘式喷灌机水涡轮发展与研究现状［J］.排灌机械工程学报，2018，36（10）：963-968．

论文作者:刘文泽

论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期

论文发表时间:2018/12/12

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