实验四涡轮叶栅流场显示实验

成绩北京航空航天大学叶轮机械原理实验报告学院能源与动力工程学院专业方向热能与动力工程班级120421学号学生姓名指导教师实验四涡轮叶栅流场显示实验4.1实验目的1、熟悉流动显示的实验方法，掌握通过实验观察来帮助认识流动机理这一重要的科研方法；2、认识涡轮叶栅内复杂的非定常流动现象。4.2实验内容1、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下中间叶高通道内的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶栅压力面、吸力面附近以及通道中部的流动特点；2、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下中间叶高叶片尾迹的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶片尾迹的流动特点；3、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下涡轮端壁区二次流的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶栅端壁区前缘马蹄涡、通道涡、端壁附面层、叶背附面层、角区流动等以及它们相互作用、相互影响的非定常特点；4、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下涡轮端壁泄漏流的非定常流场，认识涡轮叶栅存在叶尖径向间隙后不同攻角下叶栅端壁泄漏流、泄漏涡、前缘马蹄涡、通道涡、端壁附面层、叶背附面层、角区流动等以及它们相互作用、相互影响的非定常特点，帮助理解涡轮内的流动现象。4.3氢气泡法流场显示方法氢气泡流动显示技术是近几十年发展起来的流动显示技术，跟随性好、分辨率高，既可作定性观察又能作定量测量，适用于湍流、旋涡等非定常流动和紊流脉动的研究。氢气泡法应用水的电解原理，在水中通上电流使其电解，在阴阳极分别产生氢气泡和氧气泡，由于阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，产生的氢气泡数量多,氢气泡的体积可以比氧气泡小得多，所以利用氢气泡作为示踪粒子来显示流场。用极细的导线作为阴极布置在被观察流场的上游，阳极则可以为任意形状置于下游被观察流场之后的水中。由此可通过产生的氢气泡来显示流场内的流动情况。阴极导线一般采用铂丝、钨丝、铜丝或不锈钢丝制作，为了避免对流场造成过大的影响，并使氢气泡尽可能小，其直径多为0.1～0.02mm，工作电压为10～100V，产生的氢气泡直径约为金属丝直径的一半。氢气泡随水流运动，如果用光源照亮被观测截面，则氢气泡呈现白色，便可以观察到水流中氢气泡的绕流情况，并可用于照相记录。图4－1是在水槽中利用氢气泡法显示的涡轮平面叶栅在25攻角下距端壁2％叶高的非定常流场。可以较清楚地观测到，前缘马蹄涡存在多涡结构，马蹄涡在压力面和吸力面的两个分支在叶栅通道端区发生相互干扰，压力面分支的涡脚可以作用在端区吸力面的后部，发生涡－附面层干扰，叶栅通道内的端区流动呈现复杂的非定常性。图4－1涡轮平面叶栅25攻角下距端壁2％叶高的非定常流场若将阴极金属丝垂直布置于来流方向，并加上周期性脉冲电压，沿金属丝便周期性产生一排排氢气泡，其间隔宽度由脉冲间隔决定，而氢气泡线的宽度则由脉冲宽度决定，这就是所谓的氢气泡时间线法。它可以方便地显示局部速度剖面或边界层的速度型，可以作为定量分析，也可以用来定性的研究流场的不均匀度。本次实验是利用氢气泡法流场显示技术在水槽中显示涡轮叶栅内的复杂流动现象。4.3实验设备1、回流式水槽图4.2水槽平面图水槽为上下循环的闭式结构，全长6.8米，分为四个部分：加速段，回流段，整流段和实验段。其中水槽上层工作段长3000mm，宽700mm，高550mm；实验段长1000mm，宽700mm，高500mm（约数，视水位而定）。水槽以叶轮机驱动水循环，来流速度在0～0.12m/s内连续可调。2、电机电源及调压器电机带动叶轮机转动，叶轮转动使水槽内水流循环流动。通过调压器调节改变电机转速，进而改变流速。本实验所使用的直流电机采用的为北京市微电机总厂生产的SYL-50型永磁直流力矩电动机。其最大负载为30V，最大额定电流为2.8A，最大转速为140rpm。稳压电源：输出电压0~50V，输出电流0~5A。调压变压器：天津电子仪器厂生产的TDGC-0.5/0.5型调压变压器：最大容量0.5KV，频率为50Hz，最大电流为2A，调压范围为0~25V。实验采用的电机电源控制电压为15V，测得水的流速约为0.0993m/s。3、电解电源电解电源输出高频脉冲电压，使水电解发泡。本实验采用天津电子仪器厂生产的XD5型超低频信号发生器作为电解电源，输出电压0～100V，输出频率0～1000HZ。实验时根据需要调节输出频率和电压值。4、电解电极实验中利用铂丝或铜丝作为阴极，石墨作为阳极。阴极布置在被观察流场的上游，阳极则置于下游被观察流场之后的水中。5、光源用灯光照亮被测流场中需要观察的区域，其余部分应尽量保持黑暗，以免影响观测效果。最好采用片光源。本实验采用便携式冷光手电两支，灯泡为25V冷光灯泡，并分别以灯架支撑。6、涡轮叶栅模型涡轮叶栅模型由四片有机玻璃叶片组成，叶片弦长104mm，叶片弯角66°，相对栅距0.78，展弦比1.101。弦长雷诺数约为11000。7、多媒体图像系统（计算机，摄像机，图像采集卡）利用摄像机拍摄被观测流场，记录流动图像，通过图像采集卡，进入计算机，以备后续的仔细研究。4.4实验步骤1、选择合适位置放置铂丝，连接信号发生器（注意电源正负极）2、放置实验件3、依次打开稳压电源（12－14伏）和信号发生器4、打开光源（要同铂丝同等高度，注意保持水平），对准实验段5、观测流动现象，进行实验6、依次关闭稳压电源、信号发生器和光源。4.5实验结果与分析：观察到涡轮叶删压力面，吸力面及通道中部，尾迹区的流动特点与二次流，泄露流的相互作用，影响的特点，分析原因如下：叶背分离：在逆区梯度下，叶背附面层分离泄露流：叶盆静压低于叶盆静压，导致叶盆高静压气流经叶尖潜流至叶背，产生泄露流通道涡：叶盆高静压气流经过轮毂环壁的附面层流向叶背并卷起通道涡总是成对出现尾迹及尾迹回流区：上下小面附面层在后续汇合而产生尾迹，在后续汇合处叶盆附面层产生一个低压区，气流通过压力梯度卷回此低压区，从而产生尾迹回流区。4.6.思考题(1)不同攻角下涡轮叶栅压力面、吸力面附近以及通道中部的流动有何特点？相应的叶栅性能有何特点？攻角从零增加是，叶栅压力面静压升高，吸力面逐渐发生分离，通道中部通道涡先制在分离区之外到压力面之间，产生分离叶栅，损失加大，气流转角变小。性能变差。(2)不同攻角下涡轮叶栅尾迹流动有何特点？攻角从零增加是，尾迹会随着分离的产生尾迹区加大，对主流区气流影响加大，增加掺混损失(3)不同攻角下涡轮叶栅前缘马蹄涡的流动有何特点？对叶栅流动损失有何影响？当攻角从零增加是，叶栅前缘马蹄涡逐渐覆盖整个通道，增大流动损失。