文 献 综 述

熔盐泵用于高温硝酸盐、亚硝酸盐、离子膜烧碱的输送，以及广泛用于三聚氢氨、制盐、制碱及尿素等化工流程中。输送介质的温度通常在400℃到460℃之间，粘度低于0.3Pa.s。根据工业流程的要求，熔盐泵必须连续稳定运转，突发性故障引起的停机必将给产品的制备带来重大损失。因此，对熔盐泵所用的离心泵内部流动测量方法的研究，有利于提高熔盐泵的使用效率和安全性。^[1]

离心泵作为重要的能量转换和流体输送的能量提供装置，广泛应用于国民经济的各部门以及航空航天等尖端技术领域。因此，提高泵的效率，扩大其运行范围，提高运行安全和可靠性，降低振动和噪声，不仅具有巨大的经济效益，而且对提高我国泵工业发展水平具有重要意义^[2]。这就需要对离心泵内部的流场结构和能量损失的发生机理进行深入研究。认识离心泵内部流场的各种方法中试验测试是最基本和最可信的研究方法^[3]。近十几年以来发展的现代流动显示技术，一般均兼有定性显示和定量测量的能力，有的已实现了对非定常复杂流动的空间结构的瞬态显示与测量。这些测试技术应用在离心泵内部流场测试上，有助于认识离心泵内部流动的流场结构和能量损失机理，提高离心泵设计水平。^[4]

1.1离心泵内部流动测试方法

离心泵内部流动测量技术主要有非光学测量技术和流动显示技术。非光学测量技术主要包括探针和热线热膜技术，如多孔探针、旋转探针、热线热膜风速仪（HWFA）和涡量探针等，这种测量技术的缺点是探针等介入会扰动真实流场，且需复杂的遥测技术将采集信号从转子传递到静止参考系。流动显示技术可分为传统的流场显示技术和现代流场显示技术，而传统的流动显示技术又可分为壁面显迹法、丝线法、示踪法和光学法4类，具体有氢气泡法、彩色氦气泡法、油流法、丝线法、阴影法、纹影法、干涉法等^[5]。由于离心泵特殊的几何结构及复杂的内部流动，目前对内部流动的实验测量技术提出了更苛刻的要求。随着近代各种技术日益成熟和完善，流动显示技术得到了新的发展，产生了高响应、非接触的现代流动显示技术，包括激光多普勒测速（LDV）技术、相位多普勒（PDPA）技术、粒子图像测速（PIV）技术、激光诱发荧光（LIF）技术、激光分子测速（LMV）技术和压敏涂层测压（PSP）技术等^[6]。

现在普遍采用实验测试方法，理论分方法和数值模拟方法这三种方法来研究离心泵内部流动规律。在实验测试技术方面，随着计算技术和其他一些相应的技术迅速发展，不仅显示图像的质量有所提高，而且数据处理的速度和精度也大幅提高，逐渐形成了以粒子图像测速，激光诱导荧光等为代表的新一代流场测量技术。利用这些相应的技术能够解决以前不能测量的一些瞬态流场问题，并且测量结果比较准确^[7]。而在数值模拟方面，随着计算机技术的飞速发展和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的进步，经典流体力学中的一些近似计算法和图解法逐渐被替代，复杂流动的数值模拟也越来越准确，模拟精度也越来越高^[8]。泵内流动，特别是叶轮内的流动存在明显的分离，漩涡等情况，非常复杂且不易用实验手段测量，数值模拟成为了解泵内流动的首选技术。随着一些通用型CFD计算软件的推广，工程界已逐步使用CFD来进行产品改型工作，这对CFD的可靠性提出了更高的要求^[9]。

粒子图像测速技术（PIV），从20世纪70年代末开始发展起来的，固体散斑法为其发展提供了很好的发展条件。粒子图像测速技术不与测量流场界面相接触也能够测量界面上的速度场，这样就不受单点测量的限制，并且测量精度也比较高。粒子图像测速技术（PIV）与激光多普勒测速仪（LDV）相似，不管是物理测量体积还是测量精度都与LDV相当。PIV技术测速范围比较大，它能够测量流速为每毫米的流场，也能够测量流速为每秒几百米的流场^[10]。

利用粒子图像测速技术（PIV）对离心泵内部的流速场，选择不同方位的窗口进行测量，可获得离心泵叶轮全叶槽内的速度场。定量了解叶轮内部实际液流运动情况，对改进和完善离心泵的设计方法，提高泵的性能有重大意义^[11]。

1.2离心泵内部流动测试研究进展

离心泵内部流动研究可追溯到20世纪20年代。Fischer和Thoma^[12]用传统的流场显示技术研究了离心泵内部流动，结果表明，离心泵叶轮内部的真实流动与基于理想流体的流动分析结果有明显差别，且在大流量工况下，叶片压力面有流动分离存在。20世纪50年代，Acosta和Bowerman^[13]用随叶轮旋转的压力计，测量叶轮内的压力分布和速度分布，结果表明，在相当大的流量范围内，叶片的吸力面侧是泵叶轮内部流动损失相对集中的区域。Fowler^[14]于1968年测量了旋转径向流道内的流动，发现流道出口附近吸力面侧流速明显低于压力面侧，与势流预测正好相反。Adler和Levy^[15]用激光多普勒技术测量了闭式后弯叶轮的内部流动，试验表明流动是稳定的，没有分离;在分析了Eckardt的试验和自己的试验结果后认为：叶轮出口角B2大，出口圆周速度u2大，则射流/尾流出现的可能性就大。Arndt等^[16]试验研究了离心泵叶轮与蜗壳间的流动干扰，测量了二维蜗壳导叶内的定常和非定常压力，发现吸力面的压力波动大于压力面，最大的压力波动出现在吸力面进口边，当叶轮与蜗壳导叶间的径向间隙增大时该压力波动减小。Stoffel等人^[17]先后研究了蜗壳对叶轮内流的影响，试验结果表明，蜗壳与叶轮间的径向间隙大到一定值后，蜗壳对叶轮内流的影响不再显著，但叶轮出流仍不对称。ManishSinha^[18]等利用PIV技术对带有叶扩压器的离心泵内部的转子与静子的相互干涉、失速现象进行了分析、计算和试验研究。近年来，国内一些科研人员也利用各种方法进行了离心泵内部流动测量。薛敦松等^[19]用LDV测量了不同叶片包角下叶轮的内部流动，结果表明，较大的包角比较小的出口角对内流均压化有利。李森虎等^[20]利用闪光测速仪对离心泵和诱导轮内部汽蚀空泡的产生和发展进行了观测。李文广等^[21，22]利用LDV对输送粘油和清水的离心泵内部流动进行测量，试验表明，离心泵叶轮出口处流动不符合射流/尾流模型，而是主流/尾流模型。杨华等^[23]用PIV技术对离心式水泵有盖板叶轮内部流场进行了试验测量。陈松山^[24]设计了一副5叶片的低比转数离心泵叶轮，并应用二维粒子图像速度仪（PIV）成功地测试了转速1250r/min下5个不同工况以及相同流量、转速分别为1000、750r/min工况下叶轮内的瞬时流场.测试结果充分揭示了叶轮内相对速度矢量场的特征及其分布规律.结果表明：离心泵叶轮通道内液体受曲率、旋转产生的离心力和科里奥力作用，相对速度由叶片进口吸力面高、压力面低滑移为出口压力面高、吸力面低，叶轮内部的流动呈现非对称、非均匀特点;相同流量不同转速下叶轮内部流场的规律基本相似，但流动偏转角（Δβ）随转速增大而增大.朱宏武等^[25]用LDV测量技术测量了输送粘油的离心泵蜗壳几个截面上的速度分布。黄建德^[26，27]利用动态探针测量了不同叶片进口角、叶片数、闭式和开式、不同叶顶间隙开式叶轮进口叶片间的流场;还利用压力传感器，对离心泵进口静压进行频谱分析和进口流动的可视化观测，研究离心泵空泡脉动现象及其主动控制方法。闻苏平，宫武旗，曹淑珍等^[28]利用激光成像速度仪（PIV）测量了旋转离心叶轮内部的非定常流场，获得了旋转离心叶轮内部相对速度的非定常流场分布。详细分析了叶轮内部非定常流动现象和流动规律。叶建平、向阳、王永远^[29]根据离心泵叶轮通道的几何和流场特点，探讨离心泵叶轮通道的结构化网格划分中的一些处理方法，同时应用标准k-紊流模型对离心泵叶轮内部的三维紊流流动进行雷诺平均N-S方程的数值计算与分析.分析了离心泵叶轮旋转对流速分布、压力分布的影响，研究了离心泵叶轮通道内流动规律，得出作用于蜗壳上的径向力变化规律。