1、高速攝像機在離心泵技術研究中的應用

離心泵作為重要的輸水設備，廣泛應用于城市環保、農業灌溉、礦山排水、石油化工、水力發電等領域中。自吸式離心泵因自吸性能強、高效節能等技術優勢，受到各行業追捧。随着工業科技的不斷發展，各行業對離心泵設備的性能也提出了更加嚴格的要求。

為研究自吸離心泵不同轉速下的自吸性能，探讨自吸性能與轉速的關系，中國計量大學科研人員設計了透明自吸離心泵裝置，并采用高速攝像機拍攝自吸初期蝸殼内部的氣液兩相流流态的演變，記錄吸入管的液位變化，實驗總結吸入期和進水期轉速對自吸時間的影響規律，并解釋了自吸性能差異産生的原因。本次研究成果可為自吸離心泵的轉速設計提供實驗數據參考。（詳情可見《自吸離心泵轉速與自吸性能關系的研究》）

2、實驗過程

1/2.實驗方法

圖1 透明自吸泵結構組成圖

本次實驗設計了透明自吸離心泵裝置。裝置包含自吸泵自吸系統、轉速控制系統和圖像采集系統，如圖1所示。

圖2 試驗高速攝像拍攝示意圖

圖像采集系統由千眼狼高速攝像機和數碼相機組成，采集泵自吸過程中泵内兩相流流态和進水管液位高度等圖像信息。如圖2所示，高速攝像機布置于2号拍攝位置，主要記錄泵的吸入期和進水期泵内氣液兩相流流動。為避免由試驗人員産生的粗大誤差和減小試驗過程産生的讀數誤差，每組轉速至少做2次重複試驗，保證3組正常數據求平均值。

2/2.進水管液位變化分析

圖3 不同轉速下進水管液位對比情況

進水管液位的變化是研究自吸泵自吸性能優劣的一個重要方面，圖3展現了不同轉速下的進水管液位變化曲線。當自吸泵開始啟動時，圖中任一轉速下，進水管液位都快速上升到700mm以上，液位高度在600mm時也都出現了一次液位下降的現象。轉速在2200r/min及以下，進水管液位處于緩慢上升階段，此時泵内産生了大量氣泡，這些氣泡從氣液分離腔緩慢排出，處于穩定排氣時期，此時期影響進水管液位上升的主要因素不再是氣液分離腔液位高度，而是此時的排氣效率，從圖中可以看出轉速為1500r/min時，經34s進水管液位才達到最高點，所需時間遠遠長于其他高轉速時間，說明低轉速下進水管液位變化還與排氣效率有關。

3/2.氣液分離腔内含氣率變化分析

圖4 氣液分離腔内氣液兩相流分布實況

氣體像素點灰度值：255

液體部分像素點灰度值：0

本文采用圖像二值化方法研究氣液分離腔内氣液兩相流中含氣率數值的變化，将高速攝像機采集圖像中氣體和液體的顔色以不同的灰度值顯示，以截面含氣率表征氣液分離腔内含氣率。本文定義了截面含氣率α的計算公式如下：

圖5 不同轉速下氣液分離腔内含氣率對比情況

根據圖5不同轉速下氣液分離腔内含氣率變化曲線可以看出，轉速越高，氣液分離腔内的截面含氣率越高；α在自吸初期上升較快，根據轉速的不同，曲線趨于穩定的時間節點也不相同；當轉速較高時，α受轉速影響的程度較小。當液體上升到一定高度時，開始從回流孔流回，氣液分離腔内液相體積停止快速增加，此時α漸漸趨于穩定，當轉速為1500r/min，α在14s後基本不再增加，當轉速為2000r/min和2500r/min，α在7s後趨于穩定；α穩定後，蝸殼内氣泡繼續進入氣液分離腔，轉速越快，進入的氣泡數量越多，其含氣率也增加得越快，其最大含氣率也最高。

4/2.自吸性能與轉速關系的分析

圖6 不同轉速下吸入期時間和出水時間對比情況

吸入期是自吸泵自吸過程的初期，自吸泵轉速會影響吸入期進水管液位穩定的高度，對此時期自吸時間的影響很大。圖6描繪了不同轉速下進水管液位随時間的變化和下降梯度的大小，下降梯度表示此轉速下圖中直線的斜率，自吸泵轉速小于2300r/min時，轉速越高，自吸泵的吸入期持續時間越短，但下降梯度越小，這表明随着轉速的不斷增加，轉速不再成為影響吸入期時間的主要因素。

圖7 t=1s時蝸殼擴散管氣泡的數量對比情況

影響吸入期自吸泵自吸性能的原因包括擴散管氣泡群的出現時間、氣泡的流速和含氣率。其中，擴散管氣泡群的出現時間表現為：在1500r/min 的轉速下，自吸泵中幾乎沒有氣泡從蝸殼擴散管流入氣液分離腔；在2000r/min的轉速下，自吸泵内開始産生少量氣泡，可以看到有小部分氣泡流出蝸殼；而在2500r/min的轉速下，自吸泵中出現大量氣泡群，如圖7所示。當其進入氣液分離腔，這些氣泡将會有小部分流出氣液分離腔并通過出水管排出，氣泡提前進入氣液分離腔，有利于氣體的排出，減少自吸泵的自吸時間。

3、實驗結論

基于高速攝像技術，利用千眼狼高速攝像機拍攝不同轉速下自吸泵自吸過程中氣液兩相流的流态，并記錄了進水管液位随時間的變化及出水時間。通過對拍攝結果的處理、對比和分析，發現不同轉速對自吸過程的不同時期的影響規律，解釋了自吸性能差距産生的原因，得出了以下結論：

1

當自吸泵處于自吸過程中的吸入期時，轉速越高，泵的吸入期時間越短，截面含氣率越高。泵的吸入期時間存在下限，當轉速增加到2300r/min，吸入期時間基本不再減少；當轉速為2500 r/min時，含氣率達到最高值，即53%，相比轉速為1500r/min，含氣率提高了86%。

2

當自吸泵處于自吸過程中的進水期時，進水管中的水流入泵内，根據不同轉速下的吸入期時間的對比數據，轉速越高，自吸泵的氣液分離腔在更短的時間内被充滿，氣液分離腔充滿後，泵内兩相流與外界接觸面積急劇減小，阻礙了排氣過程，當轉速從2100r/min 提高到2400r/min時，出水時間增加31%。

3

當轉速進一步增加至2500r/min時，過高的流速引起了氣液兩相流與氣液分離腔之間的沖擊和擠壓，提高了排氣效率，同時泵内氣泡進一步增加，泵内氣液兩相流含氣率增加，出水管液體體積增加，出水管液位升高，進一步減少自吸泵出水時間。

4、總結

千眼狼與上海交通大學尹俊連科研團隊為流體力學學科研究共同開發了兩相流測量分析軟件，結合千眼狼高速攝像機和搭配精準的算法技術，為科學分析各種形态的兩相流提供一套系統的解決方案。

兩相流測量分析軟件是國内少數覆蓋氣液、氣固、固液等應用場景的測量分析軟件。該軟件提供先進的輪廓檢測與跟蹤算法，數字圖像相關測量分析技術，支持計算分析各種顆粒或氣泡群的運動學參數測量。（此文源自中國計量大學徐茂森老師）

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