榮 臻,陳 方,劉 洪,張 亞
(上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院,上海 200240)
近年來(lái)光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)在超聲速流動(dòng)測(cè)量中得到了較為廣泛的應(yīng)用,其中粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Particle Image Velocimetry)有長(zhǎng)足的發(fā)展,它突破傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量限制,可瞬時(shí)無(wú)接觸測(cè)量流場(chǎng)中一個(gè)截面上的二維速度分布,并且有較高的測(cè)量精度,在諸如超聲速射流[1]、剪切層流動(dòng)[2]、超燃沖壓內(nèi)流[3]以及諸如拐角流、尖劈附著激波和圓柱脫體激波[4-5]等超聲速流場(chǎng)測(cè)量中得到了很好的測(cè)量結(jié)果。最初將PIV技術(shù)應(yīng)用于高速可壓縮流研究的是Moraitis和Riethmuller[6]以及 Kompenhans和 Hocker[7];Haertig[8]等人在法德圣路易研究所超聲速下吹式風(fēng)洞中首先成功地將PIV技術(shù)運(yùn)用到馬赫數(shù)Ma=4.5流動(dòng)測(cè)量,并提出高速流動(dòng)PIV測(cè)量精度會(huì)隨著CCD相機(jī)跨幀時(shí)間的降低、相機(jī)分辨率的提高以及雙腔Nd:YAG激光器達(dá)到納秒級(jí)持續(xù)時(shí)間而提高;Schrijer和Fulvio Scarano[9]等人提出PIV技術(shù)在高超聲速流動(dòng)測(cè)量中應(yīng)用最大的挑戰(zhàn)來(lái)自兩個(gè)方面:示蹤粒子的選擇和示蹤粒子布撒技術(shù)。可以看到作為(高)超聲速PIV測(cè)試技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一,如何實(shí)現(xiàn)示蹤粒子均勻布撒且濃度滿足PIV圖像處理要求的PIV示蹤粒子布撒技術(shù)在研究中得到眾多研究學(xué)者的關(guān)注。然而,需要指出的是文獻(xiàn)中均未詳細(xì)介紹和評(píng)述PIV示蹤粒子布撒技術(shù)及其系統(tǒng)構(gòu)成,對(duì)布撒效果缺乏分析比較。因此,超聲速PIV示蹤粒子布撒技術(shù)需仔細(xì)分析和研究。
為發(fā)展超聲速PIV示蹤粒子布撒技術(shù),作者研制了一套(高)超聲速風(fēng)洞PIV示蹤粒子布撒系統(tǒng);提出了利用粒子發(fā)生罐與風(fēng)洞穩(wěn)定段平衡后的真空度將示蹤粒子吸入至發(fā)生器罐內(nèi)的粒子注入方法,有效避免了示蹤粒子在注入過(guò)程中可能發(fā)生的聚團(tuán)現(xiàn)象;通過(guò)選定實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程時(shí)序,保證了PIV系統(tǒng)以及風(fēng)洞運(yùn)行之間精確的時(shí)序控制;通過(guò)比較測(cè)試粒子發(fā)生器注入壓力對(duì)粒子布撒濃度的影響,確定了滿足PIV運(yùn)算要求的布撒濃度所對(duì)應(yīng)的測(cè)試方案。
多馬赫數(shù)高速風(fēng)洞(Multi-Mach Number Highspeed Tunnel)(圖1)位于上海交通大學(xué)高超聲速創(chuàng)新技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室,其運(yùn)行參數(shù)如下:馬赫數(shù)范圍2.5、3、4、5、6、7,軸對(duì)稱噴管(出口Φ200mm 對(duì)應(yīng)噴管馬赫數(shù)4、5、6、7,出口Φ180mm時(shí)對(duì)應(yīng)噴管馬赫數(shù)2.5、3),總壓接近實(shí)際的彈道飛行參數(shù),總溫以試驗(yàn)段氣流不冷凝為條件,有效實(shí)驗(yàn)時(shí)間大于10s。實(shí)驗(yàn)艙左右側(cè)以及上方各有一個(gè)觀察窗口,分別安裝有光學(xué)玻璃。所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均在來(lái)流馬赫數(shù)Ma=4.0,實(shí)驗(yàn)段總壓0.55MPa以及總溫400K狀態(tài)下測(cè)得。
圖1 多馬赫數(shù)高速風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.1 The site of MMHT
采用的是型號(hào)為SM3-11M500的二維PIV系統(tǒng),其主要由激光器系統(tǒng)、CCD相機(jī)、同步控制器、粒子布撒系統(tǒng)以及MicroVec軟件組成。雙脈沖Nd:YAG激光器波長(zhǎng)為532nm,最高脈沖能量為500mJ,最高工作頻率為10Hz,脈沖寬度為6~8ns。配置4000pix×2672pix(11M)的CCD相機(jī),PIV模式最小曝光時(shí)間間隔≦200ns,鏡頭焦距為105mm/F2.8。圖像處理軟件為MicroVec 2.0,基于64位Windows系統(tǒng)設(shè)計(jì),具備互相關(guān)迭代、窗口變形等功能,集成了圖像控制、實(shí)時(shí)PIV計(jì)算、存儲(chǔ)分析等功能。示蹤粒子選用標(biāo)稱粒徑為30nm的TiO2,其密度為4230kg/m3,電鏡掃描其實(shí)際粒徑約為200nm[10],使用前均保存在恒溫恒濕箱內(nèi)。
PIV系統(tǒng)放置在實(shí)驗(yàn)艙外側(cè),激光光束通過(guò)導(dǎo)光臂和片光頭形成1~2mm厚度的扇形片光,并從風(fēng)洞上方觀察窗入射照亮待測(cè)流場(chǎng)區(qū)域;片光平面與實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)噴管擴(kuò)散段或者待測(cè)模型豎直中心平面重合。相機(jī)置于實(shí)驗(yàn)艙外側(cè)觀察窗口附近,其軸線與激光片光平面垂直。系統(tǒng)由測(cè)控間工控機(jī)遠(yuǎn)程控制PIV調(diào)試和數(shù)據(jù)采集,圖像處理軟件也集成在該臺(tái)工控機(jī)上。
圖2 超聲速PIV系統(tǒng)布置方式Fig.2 The schematic of PIV setup
根據(jù)Adrian數(shù)值模擬的研究表明,PIV系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置應(yīng)滿足如下要求:(1)每個(gè)判讀小區(qū)內(nèi)有效的粒子對(duì)應(yīng)該大于10對(duì),它取決于示蹤粒子的濃度、判讀小區(qū)大小以及兩路激光脈沖間隔時(shí)間Δt;(2)粒子在垂直激光片光平面方向的最大位移為激光片光厚度的25%,它與激光片光的厚度和激光脈沖間隔時(shí)間Δt有關(guān);(3)粒子位移最大值應(yīng)為判讀小區(qū)大小的25%,這樣可以提高兩幅圖片的相關(guān)性,可以通過(guò)改變判讀小區(qū)的尺寸、圖像偏置量和激光脈沖間隔時(shí)間Δt。
針對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的PIV系統(tǒng)的配置,根據(jù)以上原則以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)風(fēng)速,幾個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的選擇如下:片光厚度d=2mm;Ma=4.0時(shí),來(lái)流風(fēng)速v=780m/s,Δt<(d/4)/v=640ns,一般取Δt=600ns。
超聲速PIV示蹤粒子布撒技術(shù)主要有以下要求:粒子布撒濃度適當(dāng)且布撒均勻;確保示蹤粒子在測(cè)試過(guò)程中不出現(xiàn)或少出現(xiàn)聚團(tuán)現(xiàn)象;布撒方式方便簡(jiǎn)易且安全高效。因此在研究過(guò)程中應(yīng)緊緊圍繞以上要求開展工作。
粒子布撒系統(tǒng)由于需要高壓氣體作為示蹤粒子注入風(fēng)洞管路的驅(qū)動(dòng)力,注入管路又緊鄰風(fēng)洞加熱器,因此設(shè)計(jì)中要充分考慮裝置的耐高壓高溫特性(P>10MPa,T>700K)。粒子布撒系統(tǒng)主要有3部分組成:粒子發(fā)生器、粒子罐以及高壓管路,其中粒子發(fā)生器罐體上端2個(gè)出口通過(guò)高壓管路分別與風(fēng)洞管路相接,下端通過(guò)高壓管路與高壓氣源相連。系統(tǒng)配件主要包括手動(dòng)閥門、電磁閥以及壓力表等,如圖3所示。粒子發(fā)生器罐體材質(zhì)為45#鋼,容積為16L,可耐壓20MPa。罐體與上下端口均以螺紋壓蓋和橡皮圈密封。高壓管路管徑為Ф12.7mm,閥門中F1為手動(dòng)閥,其余均為電磁閥。圖4為發(fā)生器罐內(nèi)高壓氣體噴注結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)噴注方式為環(huán)狀噴注,濃度均勻,穩(wěn)壓效果良好。
圖3 粒子布撒系統(tǒng)示意圖Fig.3 The sketch of seeding system
圖4 發(fā)生器罐內(nèi)高壓噴注結(jié)構(gòu)示意圖(20MPa)Fig.4 The sketch of air injection structure inside the vessel(20MPa)
粒子加注方式起初采用打開粒子發(fā)生器罐體上端口,將粒子加注進(jìn)去。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采用該種加注方式會(huì)使粒子長(zhǎng)時(shí)間放置在高壓罐體內(nèi),與高濕度的空氣接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)出現(xiàn)粒子聚團(tuán)現(xiàn)象,不利于實(shí)驗(yàn)測(cè)量,而且反復(fù)拆裝高壓罐體,不利于罐體密封。
由于粒子發(fā)生器通過(guò)高壓管路與風(fēng)洞管路相連,實(shí)驗(yàn)前需與實(shí)驗(yàn)艙、穩(wěn)定段內(nèi)的真空度平衡,所以粒子發(fā)生罐內(nèi)壓力也為真空。實(shí)驗(yàn)中采用從粒子發(fā)生器出口處接入導(dǎo)管,另一端連接待加注粒子放置的粒子罐(見圖3),若開啟導(dǎo)管閥門F1后粒子會(huì)快速被吸入發(fā)生器罐體內(nèi),關(guān)閉導(dǎo)管閥門F1后粒子均位于粒子發(fā)生器罐體底部,等待實(shí)驗(yàn)開始。因此提出并實(shí)現(xiàn)真空吸入粒子加注方式,可大大減少示蹤粒子與潮濕空氣接觸后發(fā)生聚團(tuán)的現(xiàn)象,并且可降低拆裝粒子發(fā)生器端口的次數(shù),明顯提高了示蹤粒子注入效率。
測(cè)試流程時(shí)序?qū)τ跁r(shí)間控制精度高、步驟復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)非常重要。為充分保證PIV系統(tǒng)能夠與風(fēng)洞之間的時(shí)序控制精度,選定了超聲速PIV測(cè)試流程時(shí)序。該流程可分為準(zhǔn)備階段、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行階段以及結(jié)束階段,如圖5所示,具體操作說(shuō)明如下:
(1)開啟閥F3、F4,使發(fā)生器內(nèi)壓力與穩(wěn)定段平衡;
(2)關(guān)閉閥F3、F4,開啟閥F1,利用發(fā)生器罐體內(nèi)真空度將桶內(nèi)放的粒子吸入罐體,每次吸入的粒子重量約為100g;
(3)待粒子全部吸入罐體后關(guān)閉閥F1,開啟閥F2,將高壓氣體注入罐體;
(4)待罐體內(nèi)壓力穩(wěn)定后,開啟風(fēng)洞快速閥K3,平衡加熱器與主流管路壓力;
(5)開始采集記錄風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù);待加熱器內(nèi)壓力穩(wěn)定后開啟風(fēng)洞快速氣動(dòng)閥K1,;等待數(shù)秒后同時(shí)開啟風(fēng)洞快速氣動(dòng)閥K2與閥F3、F4;
(6)開啟PIV采集;
(7)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后同時(shí)關(guān)閉風(fēng)洞快速氣動(dòng)閥K1、K3與閥F3、F4;
(8)關(guān)閉PIV采集,保存PIV圖像;
(9)關(guān)閉粒子發(fā)生器。
圖5 流程圖Fig.5 Flow process chart
粒子發(fā)生器注入壓力以及注入方式?jīng)Q定了粒子布撒流量,從而對(duì)粒子布撒濃度有很大影響。依照風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù),馬赫數(shù)4.0條件下來(lái)流進(jìn)氣壓力為2.4MPa,因此注入壓力應(yīng)大于2.4MPa,表1為實(shí)驗(yàn)中所選擇的不同注入壓力及注入方式以及所對(duì)應(yīng)的示蹤粒子流量和風(fēng)洞主流流量。圖6為傾斜角20°的尖劈模型在3種不同狀況下的PIV原始圖像,從圖中可以看到,3種不同狀況下對(duì)應(yīng)的PIV粒子圖像中粒子分布濃度有明顯不同。為選擇適當(dāng)?shù)姆桨福肞IV軟件分別對(duì)3種狀況下的圖像對(duì)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算,比較測(cè)得流場(chǎng)的均勻性。結(jié)果表明,狀況2下得到的流場(chǎng)速度矢量分布均勻且相對(duì)誤差較小,如圖7所示。另外當(dāng)粒子流量為0.01kg/s而主流流量為3kg/s時(shí),根據(jù)粒子密度以及來(lái)流流速可估算得到實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的粒子濃度為100000個(gè)/mm3,因此可以滿足每個(gè)判讀小區(qū)有10個(gè)粒子存在,符合PIV互相關(guān)運(yùn)算要求。而狀況1對(duì)應(yīng)的PIV圖像粒子濃度較狀況2要小,計(jì)算結(jié)果誤差較大;而狀況3對(duì)應(yīng)的圖像粒子濃度過(guò)大,從經(jīng)濟(jì)性考慮也不適合。
表1 示蹤粒子注入壓力和流量參數(shù)Table1 The parameters of seeding injection pressure and flux
圖6 PIV原始圖像Fig.6 The original pictures of PIV
圖7 狀況2對(duì)應(yīng)的PIV流場(chǎng)矢量分布圖Fig.7 The velocity distribution of PIV measurement at case2
為開展更高馬赫數(shù)的PIV流場(chǎng)測(cè)量,粒子布撒技術(shù)中流程時(shí)序和注入壓力方面還有待進(jìn)一步的改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)中有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)示蹤粒子在注入前已出現(xiàn)少量聚團(tuán),因此在粒子選擇以及防止粒子聚團(tuán)方面還需作一些工作。
所介紹的超聲速PIV示蹤粒子布撒技術(shù)在粒子發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、粒子加注、實(shí)驗(yàn)流程時(shí)序和注入壓力選擇等方面都能夠較好的滿足超聲速流場(chǎng)PIV測(cè)試要求;實(shí)驗(yàn)中得到的PIV圖像粒子濃度適當(dāng),均勻性良好,PIV軟件計(jì)算得到的流場(chǎng)速度矢量圖精度較高。
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