收稿日期: 1996- 05- 23　　①汤方平 , 硕士 ,讲师 , 江苏扬州　扬州大学农学院水利系 , 225009轴流泵进口断面流速可视化及应用汤方平 ① 　　周济人(扬州大学农学院 )1　引　言进口流速直接影响到轴流泵性能的发挥 ,对泵装置性能有较大的影响。进口流速均匀且无旋是设计轴流泵的要求和进水装置优化的目标。 通常情况下 ,轴流泵进口水流为三维流动 ,流速可分解为轴向流速、径向流速和圆周流速。通过数值计算或实验可获得进口断面的大量流速数据。对各种方案的流速分布进行分析比较 ,可指导优化设计和实验设计。图 1　进口断面轴向流速等值线图为了将大量的流速数据有机组合在一起 ,便于综合分析 ,目前常采用等值线图。 图 1为某肘型进水流道数值计算得到的出口断面轴向流速等值线图。从流速数据中提取等值线信息过程中 ,丢失了圆周流速和径向流速的信息 ,等值线图中没有表达出径向和圆周流速的大小和方向。本文探讨采用 AutoCAD图形软件 ,把流速数据转换为人的视觉易于感受的计算机图象 ,摆脱或减轻研究人员分析和理解计算或实验过程中产生的浩如烟海的数据结果的负担。2　基本方法数值计算和实验数据处理 ,通常采用 FORTRAN 语言编程 ,为了形成 AutoCAD可接受的 DXF图形文件 ,需要编制两者的接口程序[1] 。 Au-toCAD具有很强的三维绘图功能 ,利用它可以将某点的空间绝对流速表达成带箭头的空间直线 ,箭头线起点位于测速点或计算单元中心 ,这样就可得到进口断面流速三维矢量图 ,从不同的角度观察 ,可以清晰地表达各点的流速方向 (图 2)。 但三维视图定量程度较差 ,当箭头有空间交叉时 ,看起来很乱 ,空间概念反而不好。 断面横向流速是我们非常关心的 ,从轴向看 ,得到平面投影图 (图 3),箭头线可明确表达出径向和圆周流速的大小和方向 ,但丢失轴向流速的信息。 由于轴向流速方向的一致性 ,等值线图能准确地表达出轴向流速的分布。如果将两者有机地结合起来 ,可完整地表达出整个断面的流速情况。为此 ,采用了色彩的变化。 在画表达绝对流速的箭头线时 ,根据轴向分速的大小 ,选用不同的颜色。 AutoCAD 可使用 256种颜色号 ,具体的颜色数依赖于显示器和显示卡的类型。为了在配用 V GA显示器的微机上有较好的兼容性 ,选用8颜色显示。 颜色号对应的颜色为:1—— red(红 );　 2—— yellow(黄 ); 　 3—— green(绿 );　 4—— cyan(青 );　 5—— blue(蓝 );　 6——magenta (洋红 );　 7—— black (黑 );　 8—— gray (灰 )为了使流速从小到大与颜色从冷色到暖色相对应 ,选用 1、 2、 3、 4、 5共五个颜色号 ,红色对应最大流速 ,蓝色对应最小流速。 颜色号 8一般用于显示几何边界。 轴面流速 V z 的大小和颜色号 color - number 的　第 13卷 第 1期　 1997年　 3月农 业 工 程 学 报Tarnsactions of the CSAEVol. 13 No. 1　Mar. 1997　 图 2　进口断面流速空间分布图　图 3　进口断面流速平面分布图关系根据计算或实验方案的多少采取两种处理方式。 单方案时:　　color - nmumber　　 = 5- int5(V z - V zmin )V zmax - V zmin(1)多方案时 ,为便于比较 ,颜色号与流速的关系应采用统一的基准 ,这时:color - number = k 1 - intk 2 V zV za(2)式 ( 1)、 ( 2)中 , int表示取整 ,即取一个不大于且最接近于原数的整数;　 V zmax , V zmin —— 断面中轴面流速的最大和最小值 ;　 V za —— 轴面流速平均值; k 1 、 k 2 —— 常系数 ,根据流速均匀程度选取 ,一般可取 k 1 = 13, k 2 = 10。这样 ,在轴向平面投影图中 ,箭头线表达横向流速的大小和方向 ,不同颜色的色带类似于轴向流速等值线 ,可清晰地反映出轴向流速大小的分布情况。研究分析中经常需要对各种不同方案的数据进行比较 ,这可借助 AutoCAD 图形软件的图层技术。 将不同方案的结果绘制在不同的图层上 ,可随时打开一个或多个图层进行方案比较。 这时 ,通常给不同的图层分配不同的线型或颜色。图 4　五孔测针实测流速3　应用在泵装置优化时 ,主要以泵装置性能为依据 ,受时间、特别是经济上的限制 ,方案不可能多 ,很难揭示各种因素影响泵装置特性的实质。 在双向泵站泵装置模型优化过程中 ,采用 K - X 紊流模型对进水流道进行数值计算 ,求得泵进口断面的流速分布 ,用五孔测针实测泵进口的流速分布 ,图 4为一种方案的测试结果。将计算和实测结果可视化 ,通过多种方案的比较分析 ,证明数值计算的可行性。 这样 ,就可先利用计算机进行泵装置进水型式的水力优化设计 ,再优选几种方案进行模型试验 ,建立起进口流速分布 (内特性 )与泵装置性能 (外特性 )之间的关系 ,从而 ,根据进水流道几何尺寸的变化即可预测泵装置性的变化 ,使双向泵站装置模型达到了同类装置中的先进水平。 流速可视化在比较分析过程中发挥了重要作用 ,极大地提高了研究工作的效率。4　讨论如果显示器和显示卡允许 ,尽可能彩用 256种颜色 ,使色彩接近连续变化 ,更准确地反映出轴向流速的变化规律。前箭头较长时 ,对箭头着色来反映轴向流速的变化会引起位置的失真 ,这时 ,采用对计算单元进行着色较为理想。 采用颜色的变化 ,使平面图上反映出三维的流速情况 ,这一方法可直接用计算机高级语言编程实现 ,这里采用 AutoCAD图形软件 ,主要考虑到 AutoCAD软件应用较为普遍 ,并且可直接使用它强大的图形绘制和编辑功能 ,很容易得到三维流场图、剖面图 ,从而极大地简化编程工作 ,提高研究工作的效率。参 考 文 献1　汤方平 . Fortan 语言生成 DX F 图形交换文件通用子程序设计 . 微型计算机 , 1995. 62　李振格 . AutoCAD 11. 0计算机绘图软件包用户参考手册 . 北京: 海洋出版社 , 1991. 5226　　　　　　　　　　　　　　　　　农业工程学报　　　　　　　　　　　　　　　　 1997年