1.2.3 離心泵內部不穩定流動實驗

由于葉輪流道的強旋轉、大曲率、黏性及逆壓梯度的作用，離心泵內不可避免地會出現各種流動分離現象，通常表現為非定常旋渦脫落。這些非穩態流動不僅表現出較為強烈的動力學特性，同時在一定程度上改變了泵的能量轉換特性，影響了泵的穩定運行范圍。在實驗研究方面，為了捕捉離心泵內部不穩定流動并進行特征提取，必須定量地研究葉輪流道內流體的運動細節，但運動部件的流場測量及其特征提取歷來就是難題。離心泵葉輪出口的射流尾跡結構是最常見的不穩定流動形式，葉輪出口的射流尾跡作用易使葉輪出口處在周向上出現不均勻的壓力分布，增強了葉輪與蝸殼之間的動靜干涉作用效果。姚志峰等^[43]通過實驗研究葉輪形式對雙吸離心壓力脈動的影響，發現雙吸離心泵普遍存在葉片通過頻率、泵軸旋轉頻率和低于軸頻的低頻脈動成分，壓力脈動沿圓周方向的不均勻性會產生其他諧波成分。Barrio^[44]通過實驗和數值模擬方法分析了不同流量工況下隔舌區域的流動狀況，發現隔舌區域的泄漏流能增強動靜干涉強度。Furukawa A等^[45]研究了離心泵導葉內的壓力脈動特性，結果表明葉輪與導葉之間的干涉作用強于葉輪的射流-尾跡作用，葉片出口安放角是導葉內產生劇烈壓力脈動的主要原因。

當離心泵在低于設計工況區域運行時，內部流動更加復雜，流動分離、回流、二次流及旋轉失速等現象尤為突出。Westra R W等^[46]采用PIV對離心泵葉輪內的二次流現象進行研究，發現二次流是導致葉片吸力面和前蓋板交接處低速區形成的主要原因，射流-尾跡結構強度隨著流量的增加而逐漸減弱。Miyabe M^[47]對離心葉輪的設計和非設計工況進行實驗研究，發現在設計工況下相對速度場的射流-尾跡結構呈現出固定的非穩態特征；而在非設計工況下，旋轉失速現象則表現出準周期性的不穩定特征。Hasmatuchi^[48]研究了水泵水輪機非設計工況下的旋轉失速現象，采用高速相機獲得了導葉內失速區的發展過程，并獲得了對應的低頻壓力特征值。Cheah^[49]對離心泵小流量工況下的蝸殼內流動分離現象進行研究，發現蝸殼不同位置的流動結構差別較大，蝸殼內的流動分離區由隔舌附近的雙渦流結構逐漸演化為擴壓器區域的單渦結構。Sinha M^[50，51]利用PIV對離心泵內部旋轉失速現象的初生和發展變化規律進行了研究，結果表明隨著流量的減少，導葉流道內失速團的泄漏和回流逐漸增強，失速團由一個流道擴散到兩個流道。

當離心泵在外特性不穩定工況下運行時，各種內部不穩定流動結構產生機理及其對離心泵系統運行穩定的影響程度不同，具有各自獨立的時頻特性。但是目前對離心泵內部流動不穩定的實驗研究相對不夠充分，也沒有完全掌握各類不穩定流動的獨立和聯合作用機理。采用實驗方法實現不穩定流動的捕捉及其特征提取是開展離心泵內部不穩定流動研究的基礎，是驗證離心泵內部流動數值計算和不穩定表征的主要依據。