染料循环系统作为染料池的装载设备,为染料池的性能提供了重要保证。染料循环系统广泛应用于激光、废水处理及利用等领域,染料池作为染料循环系统的核心部件,因其内部结构特殊,难以保持流态的均匀性,因此研究染料池的折射率、边界层厚度及涡量分布等具有十分重要的意义。然而目前对染料循环系统和染料池的研究还不够全面,为此本文采用数值模拟和试验相结合的方法研究了染料循环系统的各项性能以及染料池的内流特性,并对染料池结构进行改进。本文主要工作和研究成果如下:1.较为详细地阐述了目前染料循环系统以及染料池的研究现状,并总结了PIV技术和折射率的研究现状。2.搭建了染料循环系统性能测试试验台,对30Hz、40Hz和50Hz工频下旋涡泵的能量特性、空化特性、压力脉动、振动和噪声特性进行测量,并对阀门全开和半开时染料循环系统中染料池进出口压力和旋涡泵出口的压力脉动、振动特性、噪声和温度特性进行测量,研究表明:(1)旋涡泵的最佳效率点随转速向大流量偏移;临界汽蚀余量随流量和工频的增大而增大;压力脉动的宽频带随流量的增大而缩短,压力脉动的均值随工频的增加而增大;噪声随流量的上升呈下降趋势。(2)染料池两端的压降随工频和流量的增加而增大。(3)染料循环系统中旋涡泵出口的压力脉动幅值随工频的增加而增大,随流量的增加而减小;振动速度幅值随流量的增大而减小;噪声随工频的增加而增大,随流量的增加而减小;温度随工频的增加而升高,随流量的增加而降低。3.搭建了染料池可视化试验台,通过粒子图像测速技术及背景纹影技术对50Hz工频时3个不同流速下的染料池内部流态及折射率进行了分析,研究表明:(1)染料池内流线分布比较均匀,速度梯度随流速的增大而增大。(2)当v=5.99m/s时,折射率范围为0.99989~1.00015;当v=7.82m/s时,折射率范围为0.99985~1.00025;当v=9.80m/s时,折射率范围为0.99983~1.00025。4.基于CFX分析了中间流速分别为6m/s、8m/s和10m/s时染料池流道的边界层厚度、速度分布、压力分布以及涡核分布,同时对染料池主体流道结构进行改进,改变其收缩角、扩散角,并对流道尖角部分进行倒角处理,最终选出4个较优方案,进行对比分析,研究表明:(1)不同流速下,染料池内边界层分布规律相似,平均边界层厚度均为0.020mm。(2)染料池收缩段和扩散段的速度梯度较大,扩散段产生漩涡,流动状态较差。(3)染料池收缩段和中间段的压力呈对称分布,扩散段的压力分布较为杂乱;染料池进出口压降随流速的增加而升高。(4)随着流速的增加,染料池内涡核分布也明显增多,主要分布在染料池扩散段处,中间段涡核分布也明显增多,并呈对称分布。(5)各改进方案中均产生少量的漩涡以及回流,对整体流态的影响较小,流动状态优于原方案,并且进水段压力与原方案基本相同,出水段的压力明显高于原方案,降低了染料池进出口压降。(6)方案F和方案G中涡核在流道内体积占比均低于原方案。