1、高速摄像机在离心泵技术研究中的应用
离心泵作为重要的输水设备，广泛应用于城市环保、农业灌溉、矿山排水、石油化工、水力发电等领域中。自吸式离心泵因自吸性能强、高效节能等技术优势，受到各行业追捧。随着工业科技的不断发展，各行业对离心泵设备的性能也提出了更加严格的要求。
为研究自吸离心泵不同转速下的自吸性能，探讨自吸性能与转速的关系，中国计量大学科研人员设计了透明自吸离心泵装置，并采用高速摄像机拍摄自吸初期蜗壳内部的气液两相流流态的演变，记录吸入管的液位变化，实验总结吸入期和进水期转速对自吸时间的影响规律，并解释了自吸性能差异产生的原因。本次研究成果可为自吸离心泵的转速设计提供实验数据参考。（详情可见《自吸离心泵转速与自吸性能关系的研究》）
2、实验过程
1/2.实验方法
图1 透明自吸泵结构组成图
本次实验设计了透明自吸离心泵装置。装置包含自吸泵自吸系统、转速控制系统和图像采集系统，如图1所示。
图2 试验高速摄像拍摄示意图
图像采集系统由千眼狼高速摄像机和数码相机组成，采集泵自吸过程中泵内两相流流态和进水管液位高度等图像信息。如图2所示，高速摄像机布置于2号拍摄位置，主要记录泵的吸入期和进水期泵内气液两相流流动。为避免由试验人员产生的粗大误差和减小试验过程产生的读数误差，每组转速至少做2次重复试验，保证3组正常数据求平均值。
2/2.进水管液位变化分析
图3 不同转速下进水管液位对比情况
进水管液位的变化是研究自吸泵自吸性能优劣的一个重要方面，图3展现了不同转速下的进水管液位变化曲线。当自吸泵开始启动时，图中任一转速下，进水管液位都快速上升到700mm以上，液位高度在600mm时也都出现了一次液位下降的现象。转速在2200r/min及以下，进水管液位处于缓慢上升阶段，此时泵内产生了大量气泡，这些气泡从气液分离腔缓慢排出，处于稳定排气时期，此时期影响进水管液位上升的主要因素不再是气液分离腔液位高度，而是此时的排气效率，从图中可以看出转速为1500r/min时，经34s进水管液位才达到最高点，所需时间远远长于其他高转速时间，说明低转速下进水管液位变化还与排气效率有关。
3/2.气液分离腔内含气率变化分析
图4 气液分离腔内气液两相流分布实况
气体像素点灰度值：255
液体部分像素点灰度值：0
本文采用图像二值化方法研究气液分离腔内气液两相流中含气率数值的变化，将高速摄像机采集图像中气体和液体的颜色以不同的灰度值显示，以截面含气率表征气液分离腔内含气率。本文定义了截面含气率α的计算公式如下：
图5 不同转速下气液分离腔内含气率对比情况
根据图5不同转速下气液分离腔内含气率变化曲线可以看出，转速越高，气液分离腔内的截面含气率越高；α在自吸初期上升较快，根据转速的不同，曲线趋于稳定的时间节点也不相同；当转速较高时，α受转速影响的程度较小。当液体上升到一定高度时，开始从回流孔流回，气液分离腔内液相体积停止快速增加，此时α渐渐趋于稳定，当转速为1500r/min，α在14s后基本不再增加，当转速为2000r/min和2500r/min，α在7s后趋于稳定；α稳定后，蜗壳内气泡继续进入气液分离腔，转速越快，进入的气泡数量越多，其含气率也增加得越快，其最大含气率也最高。
4/2.自吸性能与转速关系的分析
图6 不同转速下吸入期时间和出水时间对比情况
吸入期是自吸泵自吸过程的初期，自吸泵转速会影响吸入期进水管液位稳定的高度，对此时期自吸时间的影响很大。图6描绘了不同转速下进水管液位随时间的变化和下降梯度的大小，下降梯度表示此转速下图中直线的斜率，自吸泵转速小于2300r/min时，转速越高，自吸泵的吸入期持续时间越短，但下降梯度越小，这表明随着转速的不断增加，转速不再成为影响吸入期时间的主要因素。
图7 t=1s时蜗壳扩散管气泡的数量对比情况
影响吸入期自吸泵自吸性能的原因包括扩散管气泡群的出现时间、气泡的流速和含气率。其中，扩散管气泡群的出现时间表现为：在1500r/min 的转速下，自吸泵中几乎没有气泡从蜗壳扩散管流入气液分离腔；在2000r/min的转速下，自吸泵内开始产生少量气泡，可以看到有小部分气泡流出蜗壳；而在2500r/min的转速下，自吸泵中出现大量气泡群，如图7所示。当其进入气液分离腔，这些气泡将会有小部分流出气液分离腔并通过出水管排出，气泡提前进入气液分离腔，有利于气体的排出，减少自吸泵的自吸时间。
3、实验结论
基于高速摄像技术，利用千眼狼高速摄像机拍摄不同转速下自吸泵自吸过程中气液两相流的流态，并记录了进水管液位随时间的变化及出水时间。通过对拍摄结果的处理、对比和分析，发现不同转速对自吸过程的不同时期的影响规律，解释了自吸性能差距产生的原因，得出了以下结论：
1
当自吸泵处于自吸过程中的吸入期时，转速越高，泵的吸入期时间越短，截面含气率越高。泵的吸入期时间存在下限，当转速增加到2300r/min，吸入期时间基本不再减少；当转速为2500 r/min时，含气率达到最高值，即53%，相比转速为1500r/min，含气率提高了86%。
2
当自吸泵处于自吸过程中的进水期时，进水管中的水流入泵内，根据不同转速下的吸入期时间的对比数据，转速越高，自吸泵的气液分离腔在更短的时间内被充满，气液分离腔充满后，泵内两相流与外界接触面积急剧减小，阻碍了排气过程，当转速从2100r/min 提高到2400r/min时，出水时间增加31%。
3
当转速进一步增加至2500r/min时，过高的流速引起了气液两相流与气液分离腔之间的冲击和挤压，提高了排气效率，同时泵内气泡进一步增加，泵内气液两相流含气率增加，出水管液体体积增加，出水管液位升高，进一步减少自吸泵出水时间。
4、总结
千眼狼与上海交通大学尹俊连科研团队为流体力学学科研究共同开发了两相流测量分析软件，结合千眼狼高速摄像机和搭配精准的算法技术，为科学分析各种形态的两相流提供一套系统的解决方案。
两相流测量分析软件是国内少数覆盖气液、气固、固液等应用场景的测量分析软件。该软件提供先进的轮廓检测与跟踪算法，数字图像相关测量分析技术，支持计算分析各种颗粒或气泡群的运动学参数测量。（此文源自中国计量大学徐茂森老师）
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