[发明专利]用于流体机械流场精细化测量的实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种流体实验装置，具体涉及一种用于流体机械流场精细化测量的实验装置，属于水力机械内部流场精细化测量。

背景技术

实验测试对于流体机械及工程领域具有独一无二的指导意义和实用价值，而实验测量技术对流体动力学的发展一直都起着至关重要的作用，所有新的物理现象、绝大多数流体动力学理论及其数学模型无一不是首先通过实验测量而获得的。

在流体力学领域，比如高雷诺数(Re)惯性湍流流态的判定、边界层理论的建立、边界层动量积分方程的推导和近年来极低Re下弹性湍流现象的发现，均是在实验的基础上完成的；计算流体动力学(CFD)技术的发展同样离不开实验的支持，比如工程中常用的雷诺平均数值模拟(RANS)方法中的各种湍流模型都是基于流动的某一方面特性而建立起来的；在流体机械领域备受关注的大涡模拟(LES)方法，其亚格子应力模型的建立，也需要精细实验的测量数据支持；更为重要的是，一般CFD计算的结果都不能在各个层面与实验数据(或现象)完全吻合，只能根据实际需求来取折中，以满足工程上的精度要求。

迄今为止，针对水力机械特性的测试方法主要是对压力、流量、转速、转矩等外特性的测量，对水力机械内特性的研究极大多数采用定性的方法，而很难进行定量研究，例如对水轮机中叶道涡初生和发展的判定、卡门涡的判定、叶片背面空化现象的判定、尾水管内空化程度的判定等，测量人员只能借助图像记录的方式进行分析。更多时候，对流动的测量需要在流场内部放置探头，例如使用氢气泡发生导线、内窥镜等，这将流场产生干扰，而影响内部流场的真实性。

目前，对于流体机械内部流场的测量，只能针对结构简单的部件进行流动测量，而对具有空间扭曲叶片的旋转流场则无能为力。并且，测量中对于流动工质不具有折射率调节功能，内部旋转部件的流场在经过多层弯曲表面折射后，流场将发生变形，对测量带来极大的困难。另外，对流动工质进行折射率调节的试剂通常比较昂贵，在通常的开放式流体机械流场测量系统中，由于流体热物性改变，将造成试剂失效，引起极大的浪费。

发明内容

本发明的目的是为了解决克服现有测试技术在流体机械精细化测量中的不足，比如流体储存困难、组件更换复杂、及更重要的针对复杂流体机械中扭曲流场测量困难的问题，进而提供一种可用于流体机械、尤其是水力机械内部流动精细化测量封闭循环测量通路的装置，能够实现流量调节、稳流调节、空化程度调节、正反向调节、示踪粒子自动添加、流体回收保存和复杂内部流场测量的综合功能。

本发明的技术方案是：用于流体机械流场精细化测量的实验装置包括尾水罐、水泵组、流量监控装置、稳流法兰栅、流体储存系统、待测量模型装置、伸缩节、流场精细化测试系统、示踪粒子添加机构和测功机，尾水罐、水泵组、流量监控装置、稳流法兰栅、伸缩节和待测量模型装置顺次连接组成封闭的循环检测通路，示踪粒子添加机构安装在水泵组和流量监控装置之间，流体储存系统与流量监控装置连接，流场精细化测试系统设置在待测量模型装置的侧面，测功机同轴安装在待测量模型装置上方。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明的尾水罐能够实现模型装置处于不同的空化状态，水泵组能够实现系统中流动的正反向运行，示踪粒子添加机构能够自动添加示踪粒子并混合均匀，流体储存系统和截止阀能够完成对流动工质的折射率调节、出流和回收，并保持热物理性质一致，稳流法兰栅能够保证模型装置入口流动的均匀。通过上述各主要元件的布置，即能够完成对模型装置的精细化综合测量工作。

在该精细化综合测量装置中，流动循环为封闭通路，能够进行双向流动，以适应不同的流体机械类型。比如，当来流从高压侧流向低压侧时(即顺时针循环方向)，可对待测量的透明混流式水轮机、轴流式水轮机、贯流式水轮机等进行测试研究；当来流从低压侧流向高压侧时(即逆时针循环方向)，可对待测的透明水泵进行研究。所以，本装置对于可逆式水轮机(既要求正向流动又要求反向流动的水泵水轮机)进行全特性的研究非常适合，并作为研究空化现象发生机理的极佳平台。

为了适应复杂的弯曲叶片形成的三维湍流流场，专门设计了流体储存系统。实现对流动工质的折射率调配，配合防氧化系统保证流体的热物理性质不变化。这样，既可随时监测工作水溶液的折射率变化情况，保持折射率长时间不变化，又能够在更换透明的模型装置期间，保证流动工质不损失且不致因氧化而失效。

另外，本发明专门设计了示踪粒子添加机构来保证整个测量系统中，特别是透明模型装置中的示踪粒子分布均匀且具有足够的密度。