摘要

泵与风机内部流动研究正由稳态性能评价进一步走向非定常、三维、多相及多源同步测量。对于叶尖泄漏涡、旋转尾流、空化云团、流动分离等快速演化过程，高速摄像机能够提供时间分辨的瞬态图像，粒子图像测速(PIV)则进一步将示踪粒子运动转化为速度场及其派生流动参数。本文结合第九届泵与风机国际学术会议(ICPF 2026)所关注的旋转机械前沿问题，以及一项微型旋转机械空气流场3D3C-PIV实验，讨论高速摄像机与PIV在复杂旋转流动实验研究中的技术价值。

1 引言

近日，第九届泵与风机国际学术会议(The 9th International Conference on Pumps and Fans，ICPF 2026)在兰州举行。会议由兰州理工大学与清华大学主办，议题覆盖泵、压缩机和风机的理论研究、设计方法、实验与数值模拟、性能特性、机械动力学、空化，以及数字化与智能化，并延伸至叶轮、导叶、扩压器、喷嘴、阀门、轴承和密封等关键部件。

图1-第九届泵与风机国际学术会议ICPF 2026现场，会议聚焦泵、风机及旋转机械内部流动、空化与实验测量研究

从相关研究议题可以看出，当前研究焦点已不再局限于扬程、压升、效率等平均量，而是进一步向内部流动机理延伸。叶尖泄漏涡如何形成、发展并发生失稳？叶轮出口射流—尾迹结构如何演化？空化初生、云团发展与脱落怎样改变局部流场？边界层分离及旋转失速如何影响压力脉动、噪声和运行稳定性？

2 旋转机械非定常流动为何难测

泵与风机内部流动具有几何封闭、叶轮高速旋转、近壁梯度大和多尺度结构并存的特征。实验面临的主要难点如下：

• 时间分辨率与图像质量：转速提高后，叶尖涡、脱落涡和空化结构的特征时间显著缩短。仅提高帧率并不能自动保证PIV图像质量，还需同步考虑激光脉宽、脉冲间隔和粒子位移。

• 空间分辨率与测量范围：叶尖间隙、近壁边界层和微型叶轮需要小视场、高放大倍率；但视场缩小会提高光路布置和标定难度。

• 二维投影与三维流动：单台高速摄像机二维成像容易遗漏离面速度和空间涡系。对于旋流、射流叠加、叶尖泄漏等流动，二维切片可能不足以解释真实输运机制。

• 可视化与定量化：高速序列图像能够显示空化云脱落、气泡破裂和流动分离，但缺少速度、涡量、湍动能或雷诺应力等参数，难以建立流动结构与效率损失、噪声、振动及载荷之间的定量联系。

3 高速摄像机与PIV：从瞬态成像到定量流场

一套面向旋转机械的PIV系统通常包括PIV高速摄像机、脉冲激光器、同步控制器、片光源或体光光路、示踪粒子、标定装置和PIV分析软件。高速摄像机侧重记录“发生了什么”，如空化初生与云团脱落、气泡聚并与破裂、液滴撞击、叶片运动、喷射摆动及故障瞬态；PIV通过图像对之间的粒子位移求解速度矢量，并进一步获得涡量、剪切率、湍动能、雷诺应力或三维涡结构等结果，进而回答“流体以多大速度、沿何方向、以何种结构运动”。

4 典型案例-微型旋转机械空气流场3D3C-PIV测量

4.1 研究对象与目标

中国科学技术大学相关研究团队围绕低雷诺数条件下的微型旋转机械开展实验研究。实验对象包括微型螺旋桨及类陀螺螺旋旋转试件，研究关注高速旋转过程中形成的叶尖涡、根部涡、尾流结构、局部分离，以及中心射流与外围旋转流之间的耦合作用。这类实验对象虽非传统意义上的泵或风机叶轮，但其测量难点与小型高速旋转机械具有明显共性：尺度小、转速高、流动三维性强、涡结构生命周期短。

因此，该实验更适合作为一种复杂旋转流动3D3C-PIV测量方法案例，其光学设计、同步方法和多相机测量思路，对泵与风机局部流场实验具有方法学参考意义。

图2 -微型旋转机械3D3C-PIV实验试件，用于研究高速旋转条件下射流、旋流、尾流与局部分离结构

4.2 四台高速摄像机构建多视角3D3C-PIV采集系统

实验采用4台千眼狼(Revealer) NEO25M高速摄像机构建多视角3D3C-PIV采集阵列。

相机分辨率为1280×1024，全画幅采集帧率为25,000 fps，本次实验采集帧率为20,000 fps。

照明采用30 mJ高频双脉冲激光器，并配置100 mm F2.8微距镜头、532 nm窄带滤光片、同步控制器及适用于低速空气流场的喷雾示踪粒子发生器。有效测试视野为30 mm×30 mm。高速摄像机、激光器与旋转机构共同受控，使不同视角的粒子图像在统一时间基准下采集。

图3 - 4台Revealer NEO25M高速摄像机组成的微型旋转机械3D3C-PIV实验系统，配合30 mJ高频双脉冲激光完成三维流场测量

4.3 实验方法

小视场3D3C-PIV关键是获得可相关、可标定且跨视角一致的原始粒子图像。实验需使示踪粒子在各视角中具有足够对比度，控制反光表面对激光的镜面反射，并通过微距光学与窄带滤光提高有效信号。双脉冲间隔依据局部速度范围设置，匹配粒子位移。

在此基础上，通过多相机标定建立像平面与物理空间的映射，完成图像预处理、相关计算、异常矢量剔除和三维速度场重构。接着按研究目标计算涡量、湍动能、雷诺应力等派生量，并结合涡识别准则提取涡核位置、尺度和轨迹。对周期性旋转机械，还可引入转角或键相信号开展相位锁定与相位平均，将随机湍动与叶片通过频率相关的确定性非定常分量区分开来。

图4-多台高速摄像机同步记录的微型旋转机械PIV示踪粒子图像，用于3D3C速度场重构

4.4 实验数据

实验图像和重构结果显示，类陀螺钻头旋转时，中心区域射流与外围旋转流场相互叠加，形成具有明显空间层次的复合涡系；钻头侧壁附近出现局部流动分离，并伴随小尺度脱落涡。与单视角可视化相比，多视角3D3C-PIV保留了离面速度和涡结构的空间连续性，使研究人员能够从三维速度矢量与等值结构中辨认射流、旋流和局部分离区之间的耦合关系。

图5 -微型旋转机械空气流场3D3C-PIV三维重构结果，显示旋流、射流及局部涡结构的空间分布

5 对泵与风机研究的直接价值

对于泵与风机研究，实验价值主要体现在以下几个方面：

5.1验证内部流动机理

PIV提供叶轮出口、叶尖间隙及尾流区域的全场速度信息，用于辨识回流、二次流、射流-尾迹、叶尖泄漏涡和分离结构。相较于单点测速，全场PIV能够同时保留流动结构的空间关联性，更适合研究涡结构的生成、输运和相互作用。

5.2解释性能损失来源

将速度场与扬程、压力、流量和扭矩同步分析，可定位局部高剪切、强漩涡、回流和混合损失区域，并研究这些局部流动特征与整体性能损失之间的对应关系。这些实验结果可为叶片负荷分布、导叶匹配、蜗舌位置及流道几何优化提供实验依据。

5.3解析空化与多相瞬态

泵类研究中，高速摄像机与PIV具有互补性。高速摄像机连续记录空化初生、云团脱落、气泡聚并和破裂；PIV测量相应时刻周围液相流场的速度与涡结构变化。若进一步同步压力和振动信号，可研究空化结构、压力脉动与结构响应之间的时序关系。

5.4为CFD提供实验验证基准

CFD能够提供实验难以直接测量的全域信息，但湍流模型、空化模型、界面处理和边界条件都会影响结果。相位分辨PIV、高时间分辨PIV以及同步高速影像可在关键截面和典型相位提供验证基准，用于比较速度分布、涡结构位置、非定常频率及空化形态。

6 结语

第九届泵与风机国际学术会议所涉及的相关研究议题表明，旋转机械实验正在从稳态性能表征迈向非定常、三维、多相和多源同步测量。这一过程中，高速摄像机与PIV承担着不同但互补的角色。

高速摄像机使微秒至毫秒尺度的空化、气泡、喷射、分离和旋转结构成为可连续观察的对象；PIV则进一步把粒子图像转化为可比较、可统计的速度场和涡结构。二者与压力、振动、转角及性能参数协同后，可形成从瞬态现象发现、机理分析到模型验证和结构优化的完整实验链条。

微型旋转机械3D3C-PIV案例进一步说明，即使面对厘米级视场、高转速和复杂三维流动，通过多视角高速摄像、高频双脉冲照明、精密标定与同步控制，仍可获得具有时间和空间分辨能力的三维流场信息。对于泵与风机科研及工程开发而言，真正有价值的是能够复现工况、量化误差，并与动力学问题建立对应关系的实验数据。