低比转数离心泵内流场的PIV试验研究

2006年11月农业机械学报第37卷第11期低比转数冲压多级泵叶轮内三维流动数值模拟刘元义　王广业 【摘要】　应用标准k 2Ε湍流模型加壁面函数法对低比转数冲压多级离心泵叶轮内的三维湍流流动进行了时均N -S 方程的数值计算。

分析了叶轮内部流场的速度分布和压力分布,研究了离心泵叶轮通道内流动的规律。

并利用CFD 软件CFX 的模拟结果得到了设计工况下离心泵叶轮的扬程和效率的预测值,预测结果与相关的试验数据相吻合。

关键词:冲压多级泵　叶轮　数值模拟　扬程　效率中图分类号:TH 311文献标识码:ANu m er ica l Si m ula tion of 3D Flow i n L ow Spec if icSpeed Stam p i ng M ultistage Pu m p ’s I m pellersL iu Yuanyi 1　W ang Guangye2(1.S hand ong U n iversity of T echnology 2.R iz hao P oly techn ic )AbstractT he ti m e 2averaged N avier 2Stokes equati on s of th ree 2di m en si onal tu rbu lence flow in i m peller of stam p ing m u ltistage cen trifugal pum p are calcu lated by CFD based on the standard k 2Εtu rbu lence m odel and w all functi on .T he velocity distribu ti on s and p ressu re distribu ti on s w ith in the i m p eller of m u ltistage pum p are analyzed acco rding to the resu lts .T he p redicted heads and efficiencies of cen trifugal p um p i m pellers are con sisten t w ith the co rrelative exp eri m en tal data .Key words Stam p ing m u ltistage p um p ,I m peller ,N um erical si m u lati on ,H ead ,Efficiency收稿日期:2006-01-23刘元义　山东理工大学教务处　教授　博士,255049　淄博市王广业　日照职业技术学院机电系　讲师,276826　山东省日照市 引言随着计算机技术以及计算流体力学等新学科的飞速发展,数值模拟、理论分析和试验研究一起构成了研究流体流动的重要方法[1]。

piv测速原理Piv测速原理。

PIV（Particle Image Velocimetry）是一种流体力学实验技术，用于测量流体中的速度场。

它通过在流体中注入颗粒或在流场中存在颗粒的情况下，利用高速摄像机拍摄颗粒图像，进而获取流场速度信息。

PIV技术在流体动力学、空气动力学、生物力学等领域广泛应用，成为研究流体运动的重要手段之一。

PIV测速原理的基本思想是利用颗粒在流场中的运动来推导流体的速度场。

首先，在流体中加入颗粒示踪剂，这些颗粒要足够小，以至于它们的质量对流体的运动不会产生显著影响。

然后，利用激光或者其他光源照射流场，使颗粒产生光斑，再利用高速摄像机拍摄颗粒图像。

最后，通过对连续两帧图像进行处理，可以得到颗粒的位移，从而计算出流场的速度分布。

PIV测速原理的关键在于对颗粒图像的处理和分析。

首先，需要对拍摄到的颗粒图像进行预处理，包括去噪、增强对比度等操作，以便更准确地提取颗粒的位置信息。

接着，利用相关算法或者其他图像处理方法，对两帧图像进行匹配，得到颗粒的位移矢量。

最后，通过位移矢量的计算，可以得到流场中各点的速度信息。

PIV测速原理的优势在于可以在短时间内获取大范围流场的速度信息，且不需要干涉流场，对流体运动不会产生影响。

同时，由于可以获取流场中每个点的速度信息，因此可以对流体运动进行全面的分析和研究。

此外，PIV技术还可以应用于多相流、湍流等复杂流动情况下的速度场测量，具有广泛的适用性。

然而，PIV测速原理也存在一些局限性。

首先，颗粒图像的处理和分析需要较为复杂的算法和技术，对于图像质量和颗粒分布有一定要求；其次，颗粒图像的拍摄需要高速摄像机和高功率激光等设备，成本较高；最后，对于流体中速度梯度较大的情况，PIV技术可能会出现测量误差。

总的来说，PIV测速原理是一种重要的流体力学实验技术，通过对颗粒图像的处理和分析，可以获取流场的速度信息。

它在流体力学研究、流体工程、空气动力学等领域具有广泛的应用前景，对于理解流体运动规律、优化流体设备等具有重要意义。

piv实验报告PIV实验报告引言：PIV（Particle Image Velocimetry）是一种用于测量流体中速度场的非侵入式实验技术。

通过投射激光束照亮流体中的颗粒，再通过高速摄像机捕捉颗粒的运动轨迹，从而得到流体的速度分布。

本实验旨在通过PIV技术研究流体的流动特性，探索其在工程领域的应用。

实验装置：实验装置由激光器、光学系统、流体容器、高速摄像机和数据处理系统组成。

激光器产生一束高能激光束，通过光学系统聚焦到流体容器中的感兴趣区域。

高速摄像机以高帧率连续拍摄流体中颗粒的运动轨迹，并将图像传输至数据处理系统进行后续分析。

实验步骤：1. 准备工作：清洁实验装置，确保光学系统无尘，流体容器无杂质。

2. 调试激光器：调整激光器的功率和聚焦点，使其能够提供足够的照明强度。

3. 准备流体：选择适当的流体，并在容器中注入。

确保流体的温度和浓度符合实验要求。

4. 设置摄像机参数：根据实验需求，设置摄像机的曝光时间、帧率和分辨率。

5. 拍摄图像：将摄像机对准感兴趣区域，开始连续拍摄图像。

6. 数据处理：将图像传输至数据处理系统，使用PIV软件对图像进行处理，得到速度场分布。

实验结果：通过对实验数据的处理和分析，我们得到了流体中的速度场分布图。

在流体容器中，我们观察到了流体的流动特性，并得到了以下结论：1. 流速分布：在流体中心区域，流速较快，流速逐渐减小，形成速度梯度。

这与流体在管道中的流动规律相符。

2. 湍流现象：在某些区域，我们观察到了湍流现象，即流体的速度变化非常剧烈，形成涡旋。

湍流现象对于工程领域的流体控制和能量转换具有重要意义。

3. 边界层：在流体与固体壁面接触的区域，我们发现了边界层的存在。

边界层是流体流动的特殊区域，对于流体的传热和质量传递起着重要作用。

实验讨论：通过PIV实验，我们成功地研究了流体的流动特性，并得到了流体的速度场分布。

这对于理解流体力学、优化工程设计以及解决流体相关问题具有重要意义。

叶轮轮面摩擦损失的实验研究弓一流体机械l,叶轮轮面摩擦损失的实验研究√西安交通大学—!竺李巍霍晓蓉ff7,摘要介绍7以封闭壳体内的旋转圈盘系统模拟实际叶轮机械中叶轮轮面在机壳内旋转时所受摩擦阻力的实验.实验结果表明.在一定的间隙范围内,随着间隙比的增加,旋转圈盘上的粘性力矩增加,而且旋转圈盘上的粘性力矩随圈盘粗糙度的增加而增加,随流场温度的增加而降低.关键词.垒垫堕兰堡塑叁.垦坐1目f言透平压缩机,涡轮机和离心泵内的叶轮轮面在运转时不是同外壳靠得很近.就是紧邻固定不动的导向部件.叶轮的前后盖板与壳体内壁之间的间隙与叶轮半径相比通常是很小的.所以.本文将旋转叶轮与壳体内壁闻的流场称为间隙流场.叶轮在壳体内高速旋转时,圆盘摩擦损失对叶轮机械运行的效率有很大的影响.尤其是在离心泵中,当比转数降低时,圆盘摩擦损失会急剧增大.而当离心泵的比转致低到20~30时,圆盘摩擦损失占到了轴功率的一半以上.由此可见,圆盘摩擦损失是造成低比转数离心泵效率低的一个重要因素[".因此.为了提高低比转毂离心泵的运行效率.有必要研究问隙流场内流体的流动情况.但是在叶轮机械中,由于叶轮前后盖板的形状都不是规则的.直接研究泵腔中液体的运动很不方便.另外在低比转数离心泵中-叶轮的几何形状接近于圆柱体.为简便起见,实验中取一圆柱形箱体.其中放置一个转动圆盘-通过测量封闭壳体中旋转圆盘上的摩擦损失来模拟实际叶轮上的圆盘摩擦损失.国外很早就对封闭壳体内旋转圆盘附近的收福日帮≈19961i一1O蝴簿流场进行了研究Zumbusch和Schu|tzGrunow (1935)经过试验和详细地测量.提出了计算旋转圆盘上粘性力矩的经验公式并绘出了一组实验系数曲线.C.Pfleiderer(1955)在总结前人工作基础上.提出了计算圆盘摩擦损失的经验系数的关系图直至今日,人们还在使用该关系图计算圆盘摩攘损失.j,Dailey和R.Nece(195Q)经过实验研究,以边界层理论为基础,提出以,/v和儿为特征参数将问隙流场划分为四个区域, 并对这四个区域分别提出经验公式来计算旋转圆盘上的粘性力矩.而国内对圆盘摩擦损失的研究却仅限于I用国外资料上的图表,公式进行设计计算.将圆盘摩擦损失视为叶轮机械所固有的,把提高低比转数离心泵效率的工作重点放在叶轮流道的研究以及提高加工精度上.而对间隙流场中的力学损失过程及其机理未予足够的重视.本文根据实验测量结果研究流场某些参数的变化对旋转圆盘两侧壁面上粘性力矩的影响, 为叶轮机械的设计提供可靠的实验数据.2实验研究流体机械l997年5月2.1实验装置为了1删量间隙流场中间隙比的变化对旋转圆盘上摩擦损失功率大小的影响,设计了图l所示的实验装置整个装置立式布置,底座固定在支架上,电机置于晟上方,以防止实验时所使用的液体进入而损坏电机用来封闭旋转圆盘的外壳底都可拆卸,以利于调整旋转圆盘与外壳间的轴向间隙.为了防止流场内液体的泄漏,壳体下端与底座之间应填入聚四氯乙烯薄膜密封另外,壳体外表面的圆柱形壁面上的中部开一小孔,用于实验中间隙流场内流体介质的充注与排放.图1旋转圆盘实验装置示意图实验装置的几何参数:圆盘半径.一l10ram;圆盘厚度2b:l4mm;外壳内径D一250ram;轴向间隙宽度—2,4,6,8ram.2.2测量方法由于旋转圆盘摩擦损失功率的大小是与间隙流场中流体介质的密度成正比的.流体的密度越大,圆盘摩擦损失的变化也越明显.实验中以普通净水为流体介质,用电子数字式转速表直接1删量电机轴的转速;用两功率表法测量电机的输入功率,由电机的输入～输出曲线得到电机的输出功率.实验用电机的型号:Y90I一2.额定功率2,2kw.额定转速:2840r/min.由于所用电机是交流电机,电机的转速不可调,在旋转圆盘半径一定的情况下,认为间隙流场的Re(一mⅡ/v)数不变.实验测出旋转圆盘上的摩擦损失功翠,利用下式计算两侧浸湿旋转圆盘上的力矩系数(:C一8Nd/puD.式中p——流体密度——旋转圆盘外缘处旋转速度D——旋转圆盘的直径3实验结果3.1影响旋转圃盘上粘性力矩的因素3.1.1流体温度电机带动圆盘高速旋转,为了维持圆盘的运动状态.克服流体粘性力矩的作用,就需要不断输入轴功.这样,大部分电机的输出功率通过旋转圆盘与流体的摩擦,在间隙流场内耗散而转变成热能,这部分摩擦功即为圆盘摩擦损失.流体通过壳体表面向外散热,外界处于室温状态下.由于壳体内液体强制换热系数是壳体外表面空气自然对流换热系数的上千倍,所以可以认为外壳是绝热的.因此,随着实验的进行,流场内输入轴功的增加.流体的温度将不断上升.这将使得流体粘性系数下降.由于旋转圆盘上的牯性力矩与流体粘性系数成正比I2],所以随着实验的进行,流体温度的上升,测得的电机输出功率对同一几何参数的流场有所降低,如强2所示. t/T图2电机输出功事艇漉场温度曲变化图2所示为在不同的轴向间隙宽度,随着实验的进行,各时刻测得的电机输出功率Ⅳ数据的相对变化,平均半分钟读一个数据,每个间隙宽度测量时间为r厂4min由图2中可见,在同一轴向间隙宽度下随着实验时间t的延长,测得第25卷第5期流体机械的电机输出功率在逐渐减小.这就是由于流体介质温升引起流体粘性系数下降所造成的.实验测得在环境温度为7.5C时,流体介质温度由4.5"C增加到40'C.电机输出功率减小了l0%～l4%因此,为了消除流体粘性系数变化对电机输入功率的影响,实验结果均以开机后第一组稳定的测量数据来比较.另外,考虑到流体的温升, 旋转圆盘的半径不宜过太,否则将增加实验和加.工的难度.3.1.2圆盘的锈蚀程度由于实验采用普通净水为流体介质.旋转圆盘为钢材制成,实验中圆盘有一定程度的锈蚀. 在轴向间隙为10mm时.比较新加工的圆盘在3 次实验后电机输出功率的相对变化,见图3.由图3可见,随着旋转圆盘锈蚀程度的增加,电机输出的轴功在增加,即圆盘上的摩擦损失在增(.11O实验攻敷图3圆盘锈蚀过程中电矾输出功率的变化Rc3.7×10本文的实验数据是在圆盘锈蚀后测得的,所以包含圆盘粗糙度的影响.实验结果说明,锈蚀圆盘比新加工圆盘的摩擦损失太.图3说明新加工的圆盘在3次实验后,电机输出功率就增加了约6%.因此,为了提高叶轮机械的运行效率,在设计与制造过程中不但要尽量减小叶轮盖板上的粗糙度,还要注意其选材,尽量减轻圆盘锈蚀程度.3.1.3旋转圆盘外缘圆柱面上的摩擦损失在间隙流场几何参数以及旋转圆盘转速一定的情况下,圆盘外缘圆柱面上的摩擦损失是与圆盘厚度26成正比的.圆盘厚度的增加,会使实验测得的电机输出功率增加.由于在不同的轴向间隙宽度下.圆盘摩擦损失的太小不同,所以相同厚度的圆盘外缘圆柱上的摩擦损失占整个圆盘摩擦损失的比重也不同.文献[33以同样的百分比(10%)来计算叶轮机械的圆盘摩擦损失是不恰当的上述实验主要是为了研究流场参数对旋转圆盘盘面上摩擦损失的影响,所以应从结果中去除圆盘外缘柱面上摩擦损失的影响.实验通过切削外缘厚度来得到圆盘外缘柱面上的摩擦损失,从而消除圆盘厚度对整个实验测量数据的影响.3.2实验结果实验分别测量了旋转圆盘与外壳的轴向隙宽度为2,4,6,8ram时,旋转圆盘上的摩擦损失功率,得到的粘性力矩系数c见表l,圈4.表l,图4同时列出了文献[53中的数据.衰lc-.实驻结果和文献[5]中cm.比较间隙比文献ES3数据奉文结果与前^的差异相对间比(2一C】】/C1的增长率s/a((×【0一)0_,(×】0一】(%)f%,0.o18235583.590O.900,036{3.5603665292.】0,054f3.70938052.66,00,07213.81439212.892fd图4粘性力矩与轴向间隙比的关最Rex3×103.3实验结蓑分析由表l中所列出的结果可见,本文实验结果与文献[5]数据相差很小,不大干3%,这说明本文的实验数据是可靠的.其次,由表l所列的两组数据可见,在所测量的问敬比范围(0.0182～0.0727)内,随着流场间豫比的增大.旋转圆盘的粘性系数增加了约9%.这说明流场的轴向间隙对旋转圆盘上摩擦损失大小有影响.因此,在叶6流体机械1997年5月轮机械设计时应考虑到叶轮与外壳问轴向距离对整个机器运行效率的影响,选择最佳的匹配尺寸.通常,在旋转圆盘与外壳问间隙内的大部分流体旋转的角速度约为圆盘角速度的1/2口].这可以看成,间隙流场内的流体像刚体一样以1/2 圆盘角速度的速度旋转,从而使流场内流体圆周方向速度的轴向梯度减小.而使圆盘上的粘性力矩减小.而对于不同的间隙宽度,流体旋转的角速度是不同的:随着间隙比的增加,流场问流体旋转的角速度减小"].这一结果说明,间隙流场内流体旋转角速度的轴向梯度的大小影响着旋转圆盘上的粘性力矩.由此可以得出,增加间隙流场内流体旋转的角速度,有利于减少旋转圆盘上的摩擦损失,而这一措施的前提是.闻隙流场内流体质点角速度的提高不能引入其它损失. 4结论作者利用简单的实验装置测量了间隙流场内旋转圆盘上的摩擦损失,在流体温度由4.5℃增加到40"C时,实测电机输出功率减小了10% ～14%;锈蚀圆盘比新加工的圆盘摩擦损失增加约6%以上.另外,在考虑了流体温度与圆盘粗糙度影响的条件下本文得到的数据与前人结果比较,本文的结果是可靠的由实验结果可见,在所测量的间隙流场的间隙比范围(0.0182～0.0727)内,随着间隙比的增大,旋转圆盘上的摩擦损失增大.根据以上结果笔者提出.在叶轮机械设计中.转动部件与固定部件问轴向距离应选择合适的匹配尺寸.同时还应注意零件的选材.参考文献1王形.旋转圆盘问流场的数值模拟与囝盘摩擦损失的实验研究[硕士学位论文].西安交通大学.199s2A.J.斯捷潘诺夫.离C-泵与轴流泵(中译本).北京:机械工业出版杜,1980:205～2083C.普弗荣德芮尔.叶片泵与透平压缩机(中译本).北京机械工业出版社,1983:114~1184H.史里希延.边界层理论(下册),北京:科学出版杜,1991:729～7355DailyJWmNeceRE-ChamberD/rnensione^ fectoninducedno㈣d'rictona1restanceoIeoc|osedrotatingdisk.ASMEJohtr/2~Jof BasicEngineeringt1960;82:217~232王彤710049西安市西安交通大学流体力学教研室。

旋转射流喷嘴内旋流特性的PIV 实验分析胡鹤鸣,刘昭伟,陈永灿,李 玲(清华大学水利水电工程系,北京100084)摘 要:利用二维粒子图像测速技术(PIV)对旋转水射流喷嘴内部流场进行了测量,将喷嘴入流条件分为入流流量比(切向流量与轴向流量之比)以及入流总流量两个因素,分析了两者对喷嘴出口旋流结构、切向速度分布以及喷嘴出口旋流数的影响。

实验结果表明,入流流量比对喷嘴出口的切向速度大小及其径向分布都有影响,而入流总流量只影响其大小;入流流量比和入流总流量的增加均可使喷嘴出口的旋转流动增强,但只有入流流量比的增加可使喷嘴出口旋流数增加,而旋流数是喷嘴加旋效果的检验标准。

关键词:水力学;喷嘴;旋转射流;PIV;流速分布中图分类号:TV13112文献标识码:AExperimental study on the swirling characteristics ofa swirling water jet nozzle by using PIVHU Heming,LIU Zhaowei,C HE N Yongcan,LI Ling(Department o f Hydraulic &Hydro power Engineering ,Tsinghua University ,Bei j ing 100084)Abstract :An experimental system for the swirling water jet nozzle is established to investigate the swirling charac teristics of the nozzle flo w,and the velocity field in the nozzle is measured with a two -dimensional particle image velocimetry (PI V )syste m.An quantitative analysis on the internal flow structure,tangential velocity distribution and swirling intensity shows that,among the two parameters,i.e.the flow rate ratio (tangential inflow vs.axial inflow)and the total flow rate of the nozzle inlet condition,the former deter mines the magnitude and distribution of the tangential velocity,and the latter determines the magnitude only.The tangential velocity can be enhanced by increasing either of the two inlet para meters,but only the flow rate ratio makes contribution to the swirling number that characterizes the nozzle outle t swirling and hence dominates the water flo w jetted from the nozzle.Key words :hydraulics;nozzle;swirling jet;PI V;distribution of velocity收稿日期:2008-01-25基金项目:国家自然科学基金资助项目(50379018)作者简介:胡鹤鸣(1980)),男,博士研究生,E -mail:huheming99@mails.tsi 0 引言旋转射流是一种十分重要的射流形式,在诸多工程领域有着广泛的应用,如发动机燃料喷注系统利用旋转射流的扩散雾化效果达到燃料充分燃烧的目的[1],高压水射流钻井设备利用旋转射流出射角大的特性而实现扩大孔径的目的[2]。

低比转数离心泵进口预旋的数值计算研究-低比转数离心泵一般是指比转数n = 30-80的离心泵，广泛应用于农业排灌、城市供水、锅炉给水、矿山、石油和化工等领域.与中高比转数离心泵相比，低比转数离心泵有其特殊性，即轴功率曲线随流量增大而迅速上升，通常没有极值出现，导致泵在大流量区运行极易产生过载现象.因此，研究一种具有无过载性能的低比转数离心泵设计方法具有十分重要的意义.传统的无过载理论都是假设叶轮进口无旋，通过适当减小叶轮出口宽度、叶片出口安放角及叶片数来实现无过载性能，最终取得了很好的效果.但有时受到加工条件、运行条件及效率等因素的限制，仅仅在叶轮上实现无过载性能比较困难.前置导叶预旋调节技术在风机和压缩机中得到了较为普遍的应用，国内外己对其开展了深入的研究，并逐渐应用到水泵中，且己证实该技术是一种较好的工况调节方法.对于多级离心泵，可通过级间导叶产生预旋，对于单级离心泵，可通过前置导叶产生预旋.为研究预旋对离心泵性能的影响，选择计算区域较少的单级离心泵QDX6-20-0. 75为研究对象.设计3组方案，以商用软件Fluent 6. 2为平台，通过数值模拟对其内流场和外特性进行分析.1方案设计QDX6-20-0. 75的设计参数为流量Q =6 m /h扬程H=20 m，配套电动机功率P=0.75 kW，转速n =2 850 r/min，比转数n = 45 .叶轮和蜗壳的设计均采用速度系数法，并结合优秀水力模型对该泵进行结构设计，蜗壳采用较小的基圆直径，叶轮和泵体主要几何参数为叶轮进口直径D -48 mm，叶轮轮毅直径D = 18 mm，叶轮出口直径D -135 mm，叶轮出口宽度Z = 8 mm，泵体出口直径D= 34 mm，泵体基圆直径D3 = 136 mm泵体宽度b3 -20 mm.为减小轴向长度，前置导叶采用径向导叶形式，由环形四周进水.为更好地引导水流产生预旋，前置导叶按照等角对数螺旋线进行设计.为了使多级泵产生不同的预旋，改变前置导叶的出口安放角。

PIV原理及其应用PIV是Particle Image Velocimetry的缩写，意为“粒子图像测速”，是一种用于测量流场速度和流体运动行为的非接触式光学测量技术。

它通过将流场中的小颗粒（通常是悬浮在液体中的粒子）作为示踪物来进行测量，利用高速摄像机等设备捕捉颗粒图像，并通过图像处理和分析获取流场的速度和速度矢量分布信息。

PIV的基本原理是利用颗粒在流场中随流动变化的速度来获取流场速度信息。

具体操作过程包括以下几个步骤：1.示踪颗粒标记：在流体中添加适量的颗粒（通常是微米级的粒子），这些颗粒应具有足够的密度和散射光的特性，以便使它们能够被摄像机捕捉到。

2.图像获取：使用高速摄像机等设备对流场中的颗粒进行连续的图像捕获。

由于颗粒会在流场中运动，因此在时间序列上连续获取的图像可以反映出颗粒的运动轨迹。

3.图像处理：对连续捕获的图像进行处理，以识别和跟踪颗粒的位置。

通常使用相关算法、互相关算法或相关算法和追踪算法的组合来实现。

4.速度计算：根据颗粒在相邻图像之间的位移，计算每个颗粒的瞬时速度。

可以根据这些速度数据获取流场的速度分布和速度矢量图像。

PIV技术具有许多应用领域，以下列举其中几个典型的应用：1.流体力学研究：PIV技术可以用于测量液体和气体的粘性、湍流、湍流结构、边界层行为等流体力学性质。

通过获取流体流动的速度分布和速度矢量图像，可以对流体的流动行为进行详细的分析和研究。

2.空气动力学研究：PIV技术可以用于测量飞机、汽车、船舶等物体周围的气流速度和流场结构。

这对于设计和优化运输工具的气动外形、减少阻力和气动噪声等方面具有重要意义。

3.涡流研究：PIV技术可以用于测量涡流的速度、旋转方向和强度等特性。

涡流是流体中旋转速度明显高于周围流体的局部区域，它在空气动力学、流体力学和气象学等领域中都有重要的研究价值。

4.生物流体力学研究：PIV技术可以用于测量生物流体中的速度分布，如心脏血流、肺部气流、细胞运动等。

基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究【摘要】本研究基于粒子图像测速技术(PIV)，通过砂箱物理模拟实验探究颗粒在不同特定流场下的运动规律。

在实验设计中，我们搭建了流动场装置，并通过PIV技术实时捕捉颗粒运动图像。

测速原理部分介绍了PIV技术的工作原理及应用。

在数据处理方法中描述了如何处理和分析实验数据，结果分析部分详细探讨了实验结果及颗粒运动规律。

实验验证部分通过与理论模型对比进行验证。

最后结论部分总结了实验结果，展望了PIV技术在地质工程领域的应用前景。

本研究将深入探讨颗粒在复杂流场下的运动规律，为解决地质工程中的颗粒运动问题提供理论支持。

【关键词】粒子图像测速技术(PIV)、砂箱物理模拟、实验设计、测速原理、数据处理方法、结果分析、实验验证、实验结果总结、技术应用展望、研究背景、研究意义1. 引言1.1 研究背景随着科学技术的不断进步，粒子图像测速技术(PIV)在流体力学研究中得到了广泛应用。

砂箱物理模拟实验是一种常用的流体力学实验方法，通过在实验室环境中模拟真实的地质流体运动情况，可以帮助研究人员理解地下水流、地表水流、河道水流等现象的规律。

传统的砂箱物理模拟实验存在着一些局限性，比如实验数据获取困难、测速精度低等问题。

而基于粒子图像测速技术的砂箱物理模拟实验则能够更准确地获取流体速度场信息，提高实验数据的准确性和可靠性。

本研究旨在结合粒子图像测速技术和砂箱物理模拟实验，探讨如何应用PIV技术提高砂箱实验的测速精度，以及进一步揭示地下水流或地表水流等流体运动规律。

这将为地质工程领域提供更为准确的实验数据和分析方法，具有重要的理论和实践意义。

1.2 研究意义基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究具有重要的理论和应用价值。

通过这种技术可以精确地测量流体中颗粒的速度和运动轨迹，从而揭示颗粒在流场中的动力学行为和相互作用规律，为颗粒物理学和流体力学等领域的研究提供重要的实验数据。

基于Simerics-MP+软件对低比转速离心泵内部流场的分析程蕾1 金雪红1 王凯乐1 杨军虎2发布时间：2023-06-22T04:18:56.258Z 来源：《中国科技信息》2023年7期作者：程蕾1 金雪红1 王凯乐1 杨军虎2[导读] 为研究低比转速离心泵的内部流场，运用Simerics-MP+软件对低比转速离心泵流场进行瞬态仿真分析，并结合试验数据进行对比，得出在对低比转速离心泵进行优化设计时，需要考虑到管损及表面粗糙度对内部流场及泵性能的影响。

1.西安泵阀总厂有限公司陕西省西安市 710025；2.兰州理工大学兰州 730050摘要：为研究低比转速离心泵的内部流场，运用Simerics-MP+软件对低比转速离心泵流场进行瞬态仿真分析，并结合试验数据进行对比，得出在对低比转速离心泵进行优化设计时，需要考虑到管损及表面粗糙度对内部流场及泵性能的影响。

前言低比转速离心泵具有流量小、扬程高的特点【1】，在石油化工、航空航天、冶金、制药及轻工业等国民经济领域有广泛的应用。

由于低比转速离心泵叶轮流道细长，叶片出口宽度小，叶轮外径大【4】，圆盘摩擦损失较大，多因素影响下导致离心泵内部流动复杂，仿真难度较高。

本文通过数值模拟的方法，对低比转速离心泵内部流场进行仿真分析，得到低比转速离心泵工作过程中的压力及流线分布等规律，为低比转速离心泵优化设计提供理论依据。

1.三维模型的建立计算模型的全流体域如下图1所示，包括进口段（inlet）、叶轮（rotor）、泵体（volute）、出口段（outlet）四部分，同时对模型的进、出口进行适当的延长，可以使得仿真计算过程更加稳定，计算结果更加准确可靠。

图1. 计算模型全流体域 图2. 流体域网格2.流体域网格划分本文采用Simerics-MP+软件内置的笛卡尔网格技术对流体域进行网格划分，为提高计算的准确性，对叶轮域和泵体的隔舌部位进行局部网格加密（如图2）【3】，总网格数达到2.88×106。

离心泵叶轮内二维PIV非定常流动测量杨华;汤方平;刘超;周济人;徐浩然【摘要】采用二维PIV对离心泵蜗舌附近旋转叶轮内的流场进行了测量,获得了5个不同相位的二维相对速度场.结果显示:在流量Q/Qbep=0.52时,叶轮内压力面存在逆时针方向的回流,叶片在靠近蜗舌时,吸力面存在顺时针方向的回流.在流量Q/Qbep=1.0时,叶轮出口存在射流/尾迹现象.研究表明:小流量工况下,蜗舌对叶轮内的相对速度场有显著影响,而在最优工况下影响较弱.%The flow fields in a rotating impeller, near the volute tongue of a centrifugal pump, were measured by the 2-D PIV technique. At the flow rate of Q/Qbep = 0. 52, a counter clockwise recirculation flow existed on the blade pressure-side, when the blade was close to the volute tongue, a clockwise recirculation flow occurred on the blade suction-side. At the flow rate of Q/Qbep = 1. 0, a jet/wake flow existed at the exit of the impeller. The results show that the effects of the volute tongue on the relative velocity distribution are more significant at the low flow rate condition than at the best efficiency point.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2011(042)007【总页数】5页(P56-60)【关键词】离心泵;叶轮;PIV测量;非定常【作者】杨华;汤方平;刘超;周济人;徐浩然【作者单位】扬州大学能源与动力工程学院,扬州225127;扬州大学能源与动力工程学院,扬州225127;扬州大学水利科学与工程学院,扬州225009;扬州大学水利科学与工程学院,扬州225009;扬州大学水利科学与工程学院,扬州225009【正文语种】中文【中图分类】TH311引言离心泵叶轮内的流场具有典型的非定常性。

PIV测试技术及其应用一、确定文章类型本文将介绍一种重要的测试技术——PIV（Particle Image Velocimetry）测试技术，并阐述其在不同领域中的应用。

本文为技术应用类文章。

二、关键词收集 PIV测试技术、粒子图像、速度场测量、流体力学、实验研究、工程应用三、文献综述 PIV测试技术是一种用于测量速度场分布和流体流动特性的测试技术。

自20世纪80年代问世以来，PIV测试技术已经经历了漫长的发展历程，并广泛应用于流体力学、能源、环保、化工等领域。

在流体力学领域，PIV测试技术被广泛应用于流体流动特性的研究。

通过PIV测试技术，研究人员可以获得流场中粒子的运动轨迹，进而得到流体的速度场分布、湍流度、流线等信息。

这些信息对于流体力学理论的发展和工程应用具有重要意义。

在能源领域，PIV测试技术也被广泛应用于燃烧室、喷嘴等高速喷射系统的流动特性研究中。

通过PIV测试技术，研究人员可以获得燃烧室内的速度场分布、湍流度等信息，为燃烧设备的优化设计和性能提升提供依据。

在环保领域，PIV测试技术被应用于大气污染物的扩散和迁移研究。

通过PIV测试技术，研究人员可以获得大气中颗粒物和污染物的速度场分布和扩散路径，为环保政策的制定提供科学依据。

在化工领域，PIV测试技术被应用于化学反应和混合过程的研究。

通过PIV测试技术，研究人员可以获得反应器内流体的速度场分布和混合状态等信息，为化工工艺的优化提供指导。

四、分析问题本文将重点分析PIV测试技术的实现方法、优缺点及其在不同领域中的应用。

同时，本文将探讨PIV测试技术的发展趋势，并针对实际应用案例进行分析和讨论。

五、方法介绍 PIV测试技术的实现方法主要包括以下几个步骤：1、准备测试设备：包括PIV系统硬件和软件、激光器、显微镜、同步器等。

2、制作示踪粒子：选择适当的粒子作为示踪粒子，并将其悬浮在待测流体中。

3、拍摄粒子图像：通过显微镜和数字相机拍摄示踪粒子的图像，并传输到计算机中。

第14卷　第3期1998年9月农业工程学报T ransacti ons of the CSA E V o l .14　N o.3Sep t .1998收稿日期:1998203223　3清华大学科学研究基金资助课题(XJ 95216) ①许洪元,副教授,北京市海淀区清华园　清华大学水利水电工程系,100084离心泵流道中固体颗粒速度场的粒子成像测速(P I V )分析与研究3许洪元①　卢达熔　焦传国　罗先武(清华大学)摘　要　粒子成像测速(P I V )技术是随高速摄影技术和计算机图像处理技术发展起来的一种速度量测技术。

该文将P I V 技术应用于离心泵流道中固粒速度场的研究。

开发了一套W indow s 界面的速度分析软件,分析了具有不同物理特性的橡皮泥、核桃壳和砂子等固体颗粒在流道中的运动。

研究表明固粒的密度影响其在叶轮中的相对运动轨迹,固粒的粒径和形状则主要影响其运动速度大小;揭示了开式叶轮比闭式叶轮效率低、磨损快的原因是固粒受到水流泄漏的影响,其相对速度比在闭式叶轮中的大。

研究结果有助于解释离心泵内磨粒磨损现象。

关键词　离心泵　P I V 固体颗粒　速度分布离心泵流道中的固体颗粒和液体的运动特性与泵零件的磨损及运行性能密切相关。

通过颗粒运动特性的分析可以为提高离心式渣浆泵的使用寿命和性能开辟有效的途径。

以往用于旋转叶轮内流动测量的方法主要是机械测试方法,现在越来越多的研究者采用先进的光学方法或其它物理方法。

光学方法对流动没有影响,适应范围较广。

随着计算机技术的高速发展,光学方法与计算机的密切配合,使其成为更完整的现代化测试方法。

利用光学方法测试离心泵内部流动包括激光测试技术及摄影记录方法等。

本文采用的P I V (Particle I m age D isp lacem en t V elocity ,粒子成像测速)技术属于摄影记录方法的一种。

P I V 技术是随高速摄影技术和计算机图像处理技术的发展,于80年代中兴起的一门崭新的速度量测技术[1]。

跨声速风扇转子内流场三维PIV测量万钎君;石小江;刘志刚;肖华菊;熊兵;幸晓龙【摘要】在压气机试验台上开展了跨声速风扇转子内流场三维PIV测试技术研究.对跨声流场粒子跟随性、狭小空间光路布局、高速旋转件周向定位、三维标定等技术难点进行了攻关,发展了适用于高速旋转件内流场测量的三维PIV技术,获得了低转速及跨声速转速下工作点转子通道内部的详细流动结构,且与PSP测量结果吻合较好.本研究为跨声速压气机内流场研究提供了非接触测试手段,同时研究成果也为数值模拟及压气机设计改进提供了详细的试验数据.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2018(031)005【总页数】5页(P40-44)【关键词】跨声速风扇转子;内流场测量;三维标定;周向定位;三维PIV;叶轮机【作者】万钎君;石小江;刘志刚;肖华菊;熊兵;幸晓龙【作者单位】中国航发四川燃气涡轮研究院,四川江油621703;中国航发四川燃气涡轮研究院,四川江油621703;中国航发四川燃气涡轮研究院,四川江油621703;中国航发四川燃气涡轮研究院,四川江油621703;中国航发四川燃气涡轮研究院,四川江油621703;南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016;中国航发四川燃气涡轮研究院,四川江油621703【正文语种】中文【中图分类】V2321 引言叶轮机内部结构十分复杂，为持续改进其性能需充分了解内部的流动现象[1]。

粒子图像测速(PIV)技术克服了以往流场测试中单点测量的局限性，可瞬时无接触测量流场中多点速度矢量，是一种非常有发展前景的无扰动流场测量技术[2]。

上世纪末国内外已将PIV技术成功应用于叶轮机流场测试，对叶轮机内流做了大量研究[1-16]。

但国内外公开发表研究报告中，鲜有针对跨声速旋转件三维PIV技术的介绍。

本文以三维PIV技术在跨声速旋转件内流场测试领域的应用为目的，在某压气机试验器上进行了跨声速压气机内流场三维PIV测试关键技术攻关、数据分析方法研究及试验验证等工作，获得了某小型跨声速风扇15 000 r/min和21 006r/min转速工作点工况下的转子内部流场特性，并与压敏漆(PSP)测量结果进行了对比，以期为跨声压气机内三维复杂流动研究提供先进的测量手段，为数值模拟和湍流模型提供试验数据及验证方法，为压气机设计改进提供技术支持。