1、高速攝像機在自吸泵特性研究中的應用

自吸泵作為一種通用機械設備，廣泛應用于石油、化工、電力冶金、礦山、造船、農業、環保等領域中。葉輪是自吸泵的核心部件，葉片數量不僅是研究離心泵水力性能的關鍵因素，且對自吸泵的自吸特性也會産生巨大的影響。

中國計量大學科研團隊為研究自吸泵不同葉片數的自吸特性，通過千眼狼高速攝像機搭建了可視化試驗平台，從試驗的角度出發，直觀地研究自吸泵的自吸過程，探讨在不同葉片數下自吸泵的内部流動狀态和自吸時間的差異和規律。（詳情可見《葉片數對泵自吸特性影響的可視化試驗研究》）

2、實驗方法

圖1 可視化試驗台

試驗搭建了可視化試驗平台，如圖1所示。該平台主要包括透明自吸泵、透明管道和千眼狼高速攝像機。試驗分别對雙葉片、三葉片和四葉片的自吸泵自吸過程進行了觀察，采集速度為每秒1000fps捕捉泵内氣液混合流态分布。

圖2 不同葉片數的透明葉輪

圖2為加工完成的透明葉輪。采用電機轉速為1320r/min，進水管初始液位距葉輪中心點垂直高度為1m，出水管高度為1m，自吸泵内初始液位距葉輪中心點垂直高度為60mm。

3、試驗分析

1/3.試驗讨論

通過高速攝像機采集圖像，發現當自吸泵在啟動時間t=1s時，葉輪進口處由于壓力減小，空氣進入進口處，在泵内形成空氣空腔。空氣空腔經過葉片的擠壓，破碎後迅速與泵内液體混合，在葉輪外緣處氣液混合較為充分，形成氣液混流狀态。

圖3 t=1s時泵内部氣液混合流态分布

由圖3可知，3種自吸泵葉輪内部的氣液比例以及分布方式存在明顯的差異。四葉片自吸泵分流闆内氣泡數量明顯比其他葉片數，氣泡流入回流室後，氣泡開始在回流室上壁面開始積聚；三葉片自吸泵葉輪内部空腔相對較小，外緣處氣液混合較不充分，氣液分離室中隻有少部分氣泡進入分流闆開始回流，底部氣泡尚未開始積聚。雙葉片自吸泵葉輪内部氣相空腔最小，外緣處氣液混合不明顯，氣液分離室中的混合液相運動劇烈，但氣泡尚未進入分流闆回流。由此可見，在電機啟動初期，葉片數越多，葉輪外緣處氣液混合越充分，分流闆處的氣泡越多，泵内氣液循環運動進程較快。

圖4 t=5s時泵内部氣液混合流态分布

由圖4可知，當自吸泵在啟動時間t=5s時，電機轉速進入穩定期。該階段3種葉片自吸泵葉輪外緣處的氣液混合流體氣液比例相近；雙葉片自吸泵氣液混合流體中氣相含量對較少；四葉片自吸泵分流闆處回流的氣泡明顯多于其餘自吸泵，并且在其底部形成更大的氣泡群。雙葉片自吸泵氣液分離室中氣液混合較為穩定，分流闆處懸浮着一定量的氣泡，底部尚未形成明顯的氣泡群，回流的液相相對較少。由此可見，在電機運行穩定時，葉片數越多，自吸泵内的氣液運動越劇烈，分流闆底部的氣泡群越大，回流的氣液混合流體越多，葉輪輸送流體的效率越高。

2/3.葉片數與流動狀态的關系

如圖5所示，自吸泵的葉輪進口處均形成穩定的直徑不一的氣相空腔，且在空腔外緣包裹着氣液占比不一的白色泡沫帶如圖5中C區域所示。

圖5 自吸後期泵内部氣液混合流态分布

如試驗圖像觀察了解到，葉片數的增加使葉輪外緣氣泡的數量增加，葉輪外緣氣相含量增加，氣液混合流體混合程度增加。同時在四葉片自吸泵葉輪的的試驗下，蝸殼擴散段回旋氣泡B數量明顯小于三葉片和雙葉片，在自吸泵相同的轉速下，葉片數的增加也減小了了回旋氣泡B的回旋周期，進一步減少蝸殼擴散段出現停滞回旋的氣泡。葉片數的增加，使自吸泵内部的氣液混合流動更加穩定，減少了不必要的能量損耗，提高了泵内氣泡密度，使泵内氣液混合流體混合更加充分。

3/3.葉片數對自吸泵自吸時間的影響

由圖6可知，在電機啟動後，進水管内液位迅速上升，三種葉輪自吸泵自吸性能較為接近，四葉片自吸泵液位首次上升高度最大，這是因為葉片數越多，葉輪進口處産生的壓力越低，較大的壓力差将液位擡升。

圖6 自吸泵管道液位變化

在電機啟動5~15s左右期間，進水管中的液位開始呈現波動上升狀态，且液位上升速度開始降低，這是因為流體在重力和管道内外壓力差的即将到達平衡，自吸過程開始進入平穩期。

在t=20s之後，進水管液位緩慢爬升，進入平穩期，此時葉輪高速旋轉，不斷将泵的氣體排出，提高泵内流體中液體的占比。當進水管中有液體流入葉輪，三、四葉片自吸泵用時較為接近，雙葉片自吸泵耗時約100s，自吸性能較差。當出水管有液相流出時，四葉片自吸泵出水管液位上升速度最快，自吸時間最短，雙葉片相對于三、四葉片，進入出水管液位開始上升的時間較晚，液位上升速度也較小，自吸性能較差。

圖7 t=160s時泵内部氣液混合流态分布

由圖7可知，四葉片自吸泵葉輪外緣處形成的氣液混合流體中氣相含量大，産生大量的移動氣泡排出，氣液分離室内運動劇烈，氣液分離效率高。回流孔處流量大，葉輪的流體輸送效率高，使得自吸泵的排氣效率提高，加快自吸進程。由此可見，自吸時間主要取決于氣液分離效率，葉片數越多，葉輪外緣處氣液混合更加充分，産生的移動氣泡多，氣液分離室内運動更加劇烈，氣液分離效率高，回流量大，葉輪的流體輸送效率高，因此自吸泵排氣效率高。

4、試驗結論

采用千眼狼高速攝像機搭建了可視化試驗台，實現了在不同葉片數的情況下，自吸泵自吸過程中的氣液混合流态分布的圖像捕捉及自吸泵自吸時間的記錄；研究了不同工況下葉片數對自吸泵氣液混合流态分布及流激響應特性的影響機制，完成了自吸泵葉片數為2、3、4的情況下對自吸泵自吸特性影響的可視化試驗研究。得出如下結論：

（1）氣液混合流體中的氣液比例受葉片數影響，葉片數越多，氣液混合越充分，氣液混合流體中氣相含量越高，蝸殼擴散段内移動氣泡越多，排氣效率越高，自吸性能越好。

（2）自吸泵的自吸時間主要取決于排氣效率，排氣效率受葉輪對流體的輸送效率、氣液混合流體中的氣液比例及氣液分離效率影響。其中葉輪對流體的輸送效率表現為泵内流體的回流量，葉片數越多，葉輪内部壓力越低，通過回流孔回流的流體越多，葉輪對流體的輸送效率越高。

（3）3種葉片數方案中，四葉片自吸泵完成自吸的時間最短，三葉片稍長，雙葉片最長。在本文試驗條件下，葉片數的增加使自吸泵内部的氣液混合流動更加穩定，減少了泵内局部的流動能量損耗，使泵内氣液混合流體混合更加充分，提高了自吸泵的自吸性能。

5、總結

本次試驗使用高速攝像機對自吸泵内部流動情況進行拍攝，更加深入研究了不同葉片數下的自吸泵内氣液混合、氣液分離及氣液回流等過程，揭示葉片數對自吸泵自吸過程各個階段的氣液兩相流态的影響規律，為自吸泵葉輪設計提供參考和依據。高速攝像機作為科研儀器，能夠幫助科研人員進一步探索試驗現象，揭示更多自然本質。（此文源自中國計量大學研究團隊）

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