馬昌友, 侯敏杰, 凌代軍, 幸曉龍

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院, 四川 江油 621703)

0 引 言

平面葉柵風(fēng)洞在葉柵性能基礎(chǔ)研究中占據(jù)了極為重要的地位，因此，對(duì)葉柵流場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量是至關(guān)重要的。目前通常采用三孔或五孔尾跡測(cè)壓探針對(duì)葉柵流場(chǎng)性能進(jìn)行測(cè)試[1]，其特點(diǎn)是只能進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，對(duì)流場(chǎng)影響大，無(wú)法對(duì)葉片間槽道流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、效率低, 并且得到的是平均意義下的氣流參數(shù)。當(dāng)葉柵發(fā)生較嚴(yán)重的氣流分離時(shí)，柵后尾跡區(qū)的氣流角變化較大，并且存在氣流旋渦，真實(shí)氣流方向與探針軸線夾角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探針校準(zhǔn)角度，超出了探針應(yīng)用范圍，這時(shí)測(cè)得的值準(zhǔn)確度降低，往往不能正確地反映實(shí)際流動(dòng)[2]。

近年來(lái)，非接觸式瞬態(tài)流場(chǎng)測(cè)速技術(shù)PIV (Particle Image Velocimetry)，克服了接觸式單點(diǎn)測(cè)量設(shè)備的局限性,可以無(wú)干擾地獲得葉柵槽道瞬時(shí)速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)等, 已成為研究葉柵流場(chǎng)的一種先進(jìn)測(cè)試手段[3-4]。國(guó)內(nèi)外在葉柵流場(chǎng)PIV測(cè)試技術(shù)研究方面已取得了卓著的成績(jī)[5-10]，但由于PIV 技術(shù)比較復(fù)雜，影響測(cè)試結(jié)果因素比較多，如示蹤粒子的選取與播撒[11-12]、激光片光與CCD的布局等，都會(huì)影響所測(cè)流場(chǎng)的準(zhǔn)確性，國(guó)內(nèi)在高速風(fēng)洞中開展的PIV應(yīng)用研究較少。

作者基于暫沖式平面葉柵風(fēng)洞，利用2D-PIV系統(tǒng)對(duì)某亞聲速擴(kuò)壓葉柵流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，以解決示蹤粒子撒播、PIV光路布局及標(biāo)定等技術(shù)問題，并對(duì)零迎角不同進(jìn)口馬赫數(shù)狀態(tài)下的葉柵中截面槽道及尾跡速度場(chǎng)分布進(jìn)行分析研究。為驗(yàn)證PIV測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，還利用三孔尾跡探針的測(cè)試結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)2D-PIV在葉柵流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)在中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院暫沖式超、跨聲速平面葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)器上進(jìn)行[13]。葉型為某亞聲速擴(kuò)壓葉型，弦長(zhǎng)B=65mm，柵距T=49.1mm，安裝角γ=60.65°，設(shè)計(jì)進(jìn)口氣流角β1=45.7°，設(shè)計(jì)進(jìn)口馬赫數(shù)M1=0.66。圖1為葉柵試驗(yàn)件實(shí)物圖，與常規(guī)葉柵設(shè)計(jì)相比，該葉柵在設(shè)計(jì)允許的條件下，增大柵距，以便減小由于葉片彎曲帶來(lái)的光路遮擋；葉柵一側(cè)柵板材料為透明的航空有機(jī)玻璃，兼作CCD拍照視窗；葉柵另一側(cè)柵板為普通鋼柵板，以便在葉柵內(nèi)部形成暗室，降低PIV測(cè)量時(shí)背景光的影響。

圖1 葉柵試驗(yàn)件實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)所使用的粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)從德國(guó)LaVision公司引進(jìn)。該系統(tǒng)是由雙脈沖激光器、CCD、同步控制器、圖像采集和裝有Davis分析軟件的計(jì)算機(jī)組成。激光器為雙諧振脈沖式Nd：YAG激光器，工作頻率為15Hz，單脈沖最大能量360mJ，激光波長(zhǎng)為532nm，通過激光臂，可以方便地將激光打入到葉柵槽道中。CCD相機(jī)緩存為512MB，像素1600×1200，拍攝面積85mm×64mm。相機(jī)支架可對(duì)CCD在3個(gè)方向上進(jìn)行精確旋轉(zhuǎn)，再配合三維位移機(jī)構(gòu)，可全方位控制CCD的方向和位置。試驗(yàn)時(shí)，Davis軟件通過同步器控制激光打光和CCD拍照,并進(jìn)行圖像處理，獲得葉柵流道速度場(chǎng)分布。

為了驗(yàn)證PIV試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用三孔楔形尾跡探針對(duì)葉柵性能進(jìn)行了常規(guī)測(cè)量。三孔楔形尾跡探針安裝在位移機(jī)構(gòu)上，可以控制尾跡探針沿柵距方向移動(dòng)。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1示蹤粒子投放

粒子發(fā)生器選用德國(guó)Lavision公司的Laskin PIV Part40壓力霧化式粒子發(fā)生器，需使用高壓氣源供氣，最大允許進(jìn)、出口壓差可達(dá)0.6MPa。示蹤劑采用Lavision公司研制的癸二酸(2-乙基已基)酯(簡(jiǎn)稱為DEHS)，該示蹤粒子適用于風(fēng)洞、葉輪機(jī)械、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流等流場(chǎng)，粒子平均半徑為1μm左右，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)毒，穩(wěn)定性好，可以在不同的情況下存留幾個(gè)小時(shí)保持尺寸形狀不變。文獻(xiàn)[6]利用PIV開展渦輪葉片尾緣噴氣研究中使用了該示蹤粒子，使用效果良好。

考慮到試驗(yàn)器是暫沖式的，來(lái)自氣源站的高壓空氣需經(jīng)過凈化器、干燥器和儲(chǔ)氣罐后，送至試驗(yàn)段，故示蹤粒子不能直接從氣源站的壓縮機(jī)進(jìn)口吸入，而是在試驗(yàn)段上游管道中注入，如圖2所示。粒子發(fā)生器所需的高壓氣源來(lái)自于氣源站儲(chǔ)氣系統(tǒng)。試驗(yàn)前,來(lái)自氣源站的壓縮空氣先為儲(chǔ)氣系統(tǒng)供氣充壓至0.6MPa，將小儲(chǔ)氣罐通過閘閥與大儲(chǔ)氣罐斷開；試驗(yàn)時(shí)小儲(chǔ)氣罐獨(dú)立作為粒子發(fā)生器的氣源，大儲(chǔ)氣罐作為葉柵主流氣源；當(dāng)小儲(chǔ)氣罐壓力較低時(shí)，將閘閥打開，與大儲(chǔ)氣罐連通，氣源站即可為小儲(chǔ)氣罐再次打壓至0.6MPa。示蹤粒子流通過安裝在試驗(yàn)器上游的調(diào)壓閥與穩(wěn)壓箱之間的撒播器投放到主流中。調(diào)壓閥后主流管道的壓力一般在200kPa以內(nèi)，足夠的壓差使得示蹤粒子流可以壓入主流中。另外，撒播器距離試驗(yàn)段約8m，中間經(jīng)擴(kuò)壓器、蜂窩整流器、絲網(wǎng)整流器，確保示蹤粒子在被主流輸送到試驗(yàn)段前與主流充分混合均勻。

圖2 供氣流程圖

2.2光路布置與標(biāo)定

圖3為試驗(yàn)時(shí)激光片光與CCD的布局方案。試驗(yàn)采用從葉柵下游即試驗(yàn)段出口處逆向打光，為減小葉柵出口氣流對(duì)光學(xué)部件的沖擊力，打光方向適當(dāng)避開氣流方向，并確保激光片光與待測(cè)截面重合。由于采用單CCD對(duì)葉柵中截面槽道及其下游尾跡速度場(chǎng)進(jìn)行二維速度場(chǎng)測(cè)量，因此要求CCD拍照方向與激光片光嚴(yán)格垂直。

圖3 激光片光與CCD布局方案

試驗(yàn)前首先對(duì)測(cè)試區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定。由于視窗為有機(jī)玻璃柵板，對(duì)粒子成像的畸變影響較小，加之葉柵通道不便于放置標(biāo)定靶，因此直接將標(biāo)有刻度的校準(zhǔn)尺置于觀測(cè)區(qū)域獲取圖像，如圖4所示，用于標(biāo)定CCD像素與實(shí)際測(cè)量范圍的換算關(guān)系，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)定量測(cè)量和標(biāo)定。

3 數(shù)值模擬方法簡(jiǎn)介

在進(jìn)行PIV測(cè)量結(jié)果與三孔楔形尾跡探針測(cè)量結(jié)果對(duì)比之前，首先進(jìn)行PIV測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，以考察PIV測(cè)量結(jié)果的可靠性。作者采用全三維粘性流場(chǎng)數(shù)值模擬的手段，計(jì)算獲得了該葉柵在相應(yīng)狀態(tài)下的流場(chǎng)信息。計(jì)算使用商用NUMECA軟件的FINE/Turbo模塊，采用時(shí)間推進(jìn)法求解三維雷諾平均的N-S(RANS)方程，采用二階精度的中心差分格式進(jìn)行空間離散，時(shí)間項(xiàng)采用四階Runge-Kutta法迭代求解，湍流模型為一方程的S-A(Spalart- Allmaras)模型。計(jì)算采用多重網(wǎng)格法，結(jié)合當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)及隱式殘差光順等加速收斂技術(shù)。計(jì)算域的網(wǎng)格劃分，采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的HOH型網(wǎng)格，計(jì)算的總網(wǎng)格量約30萬(wàn)，壁面處理采用了絕熱無(wú)滑移條件。

圖4 二維葉柵流場(chǎng)PIV標(biāo)定方法

4 結(jié)果分析

4.1葉柵流場(chǎng)周期性

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，PIV測(cè)試前需在葉柵進(jìn)、出口建立周期性流場(chǎng)。圖5繪出了進(jìn)口氣流角為β1=45.7°時(shí)，葉柵進(jìn)口馬赫數(shù)分別為M1=0.5、0.66、0.73和0.8時(shí)柵前馬赫數(shù)沿額線方向3個(gè)柵距的分布。由圖可見，柵前進(jìn)口馬赫數(shù)沿柵距分布周期性是比較好的。在出口流場(chǎng)方面，圖6繪出了柵后測(cè)量截面兩個(gè)柵距的尾跡總壓恢復(fù)系數(shù)分布圖，也說明試驗(yàn)流場(chǎng)周期性是比較好的。基于此，本文只對(duì)一個(gè)柵距的葉柵流場(chǎng)進(jìn)行了PIV測(cè)量。另外通過圖6定性地比較和分析尾跡區(qū)寬度、深度等表征葉柵損失大小的特征，可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的提高，葉柵損失呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)。

圖5 葉柵進(jìn)口速度沿額線分布

圖6 葉柵出口尾跡參數(shù)分布

4.2葉柵全流場(chǎng)PIV測(cè)量與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖7給出了在設(shè)計(jì)進(jìn)口氣流角β1=45.7°，進(jìn)口馬赫數(shù)M1分別為0.6和0.73狀態(tài)下，利用PIV系統(tǒng)采集并經(jīng)粒子圖像計(jì)算得到的葉柵流場(chǎng)的瞬態(tài)速度矢量圖。PIV圖像分析查問域(Interrogating Window)為64pixel×64pixel，成像系數(shù)為0.05333，合3.4mm×3.4mm，重疊率為50%。由圖7可見，氣流在葉背處先加速至最大值后逐漸減速增壓。從圖中可以看到葉片尾緣處的速度值較小，該處為葉柵尾跡區(qū)，但由于本文關(guān)注葉柵槽道及尾跡流場(chǎng)的全域測(cè)量，未能獲得尾跡區(qū)的細(xì)微結(jié)構(gòu)。由于葉片的存在，使得靠近葉片表面區(qū)域沒有速度向量。主要因素有片光被彎曲的葉片遮擋、CCD被葉片端截面遮擋、葉片附近的粒子反光不規(guī)律或粒子濃度過低，這些因素不可能根本消除，只能盡可能減輕近壁面問題的影響。計(jì)算中通過創(chuàng)建遮罩Mask方法來(lái)屏蔽該區(qū)域。

圖8給出了在設(shè)計(jì)進(jìn)口氣流角β1=45.7°，進(jìn)口馬赫數(shù)M1分別為0.6和0.73狀態(tài)下，通過CFD數(shù)值模擬得到葉柵流場(chǎng)的速度矢量圖。對(duì)比PIV測(cè)量結(jié)果和CFD數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，PIV測(cè)得的葉柵中截面二維速度矢量場(chǎng)合理地反映了葉片槽道及尾跡的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。從PIV試驗(yàn)和CFD計(jì)算結(jié)果可以看出，在設(shè)計(jì)迎角下，葉背沒有發(fā)生氣流分離。PIV捕捉到了葉柵尾跡，從圖中可以看到葉片尾緣處的速度向量較小。但由于本文關(guān)注葉柵槽道及尾跡流場(chǎng)的全域測(cè)量，未能捕捉到尾跡區(qū)的細(xì)微結(jié)構(gòu)。

另外，從圖7可以看出，圖中局部小區(qū)域的速度矢量與圖8相應(yīng)位置存在較大差異，主要集中在葉背，這是因?yàn)樵撐恢锰幍娜~柵柵板受到液體示蹤劑的污染，并不斷聚集，導(dǎo)致該區(qū)域的粒子圖像沒能合理反映出葉柵中截面的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。因此今后開展葉柵流場(chǎng)測(cè)量，特別是在較高馬赫數(shù)或大迎角下，需要考慮壁面污染對(duì)測(cè)量的影響。

(a) β1=45.7°,M1=0.6

(b) β1=45.7°,M1=0.73

(a) β1=45.7°,M1=0.6

(b) β1=45.7°,M1=0.73

4.3葉柵出口流場(chǎng)PIV與尾跡探針測(cè)量結(jié)果對(duì)比

由于尾跡探針測(cè)量得到的是穩(wěn)態(tài)定常數(shù)據(jù)，而PIV測(cè)得的為瞬態(tài)數(shù)據(jù)。為了進(jìn)行尾跡探針和PIV測(cè)量結(jié)果對(duì)比， PIV在同一狀態(tài)進(jìn)行了30次速度場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，對(duì)30組瞬態(tài)速度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均，從而得到時(shí)均意義下穩(wěn)態(tài)速度場(chǎng)。

圖9為進(jìn)口馬赫數(shù)為0.60和0.73時(shí)采用PIV和尾跡探針測(cè)得的葉柵出口距離尾緣45%T位置處氣流速度W2沿一個(gè)柵距的分布。從圖中可以看出，PIV和尾跡探針兩者測(cè)得的出口氣流速度沿柵距分布規(guī)律非常接近，并且相同位置的速度值差異較小。圖10則為相應(yīng)的葉柵出口氣流角β2沿一個(gè)柵距的分布。從圖中可以看出，PIV和尾跡探針兩者測(cè)得的出口氣流角沿柵距分布規(guī)律在主流區(qū)比較一致，但在尾跡區(qū)差異略大。

圖9 葉柵出口速度沿柵距分布

對(duì)圖9和10中尾跡探針和PIV測(cè)得的葉柵出口速度值和氣流角分別在一個(gè)柵距內(nèi)做算術(shù)平均，即可得到葉柵出口遠(yuǎn)場(chǎng)的氣流速度和方向。圖11和12分別繪出了葉柵出口速度值和氣流角隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化趨勢(shì)。由圖11可見，從尾跡探針和PIV獲得的葉柵遠(yuǎn)場(chǎng)出口氣流速度隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的提高均呈現(xiàn)線性增大趨勢(shì)，并且兩種測(cè)量手段獲得的速度值差別較小。由圖12可見，葉柵在設(shè)計(jì)進(jìn)口馬赫數(shù)以下工作時(shí)，從尾跡探針和PIV獲得的葉柵遠(yuǎn)場(chǎng)出口氣流角均不隨進(jìn)口馬赫數(shù)發(fā)生明顯的變化，并且兩者測(cè)得值也較接近；當(dāng)葉柵在設(shè)計(jì)進(jìn)口馬赫數(shù)以上工作時(shí)，此時(shí)葉柵進(jìn)口馬赫數(shù)超過臨界馬赫數(shù)，甚至接近最大馬赫數(shù)(此時(shí)葉柵堵塞)，葉片邊界層分離嚴(yán)重，導(dǎo)致葉柵出口氣流角隨著進(jìn)口馬赫數(shù)繼續(xù)升高呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，此時(shí)尾跡探針和PIV獲得的葉柵遠(yuǎn)場(chǎng)出口氣流角誤差較大。

圖10 葉柵出口氣流角沿柵距分布

圖11 葉柵出口速度隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化趨勢(shì)

圖12 葉柵出口氣流角隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化趨勢(shì)

5 誤差分析

從試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析來(lái)看，PIV與三孔楔形探針對(duì)平面擴(kuò)壓葉柵流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果基本吻合，但仍存在誤差，特別是葉柵出口氣流角的測(cè)量誤差較大。經(jīng)分析，產(chǎn)生的誤差主要存在如下兩個(gè)方面:

一是尾跡區(qū)的氣流方向沿額線變化較大，而PIV圖像處理時(shí)查問域設(shè)置過大，導(dǎo)致未能捕捉到尾跡區(qū)的細(xì)微結(jié)構(gòu)。由于進(jìn)口馬赫數(shù)較大時(shí)，葉柵流場(chǎng)的速度變化范圍變大，若將查問域設(shè)置過小，會(huì)導(dǎo)致葉背處速度較大區(qū)域沒有有效的粒子對(duì)。如只對(duì)葉柵出口尾跡區(qū)進(jìn)行PIV測(cè)量，試驗(yàn)時(shí)選取合適的兩束激光時(shí)間差Δt，圖像處理時(shí)采用較小的查問域，便可提高對(duì)尾跡區(qū)流場(chǎng)細(xì)微結(jié)構(gòu)的捕捉能力。

二是三孔楔形探針的方向特性線較差，特別是在尾跡區(qū)真實(shí)氣流方向與探針安裝方向偏角大于探針校準(zhǔn)偏角時(shí)，用探針數(shù)據(jù)外插所得到的出口氣流角偏差較大，從而進(jìn)一步加大與PIV測(cè)量結(jié)果的差異。這一點(diǎn)也顯示出了PIV在葉柵尾跡測(cè)量比三孔楔形尾跡探針更有優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié) 論

基于暫沖式葉柵風(fēng)洞，采用數(shù)字PIV技術(shù)，并配合粒子投放和光路布置技術(shù)，對(duì)某擴(kuò)壓葉型葉柵槽道及尾跡成功地進(jìn)行了可視化測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明：采用的PIV可以應(yīng)用于葉柵流場(chǎng)的精確測(cè)量。

PIV與三孔楔形尾跡探針在葉柵出口尾跡的測(cè)量所獲得的氣流速度和主流區(qū)的出口氣流角重合性較好；尾跡分離區(qū)的出口氣流角重合性略差，主要原因是在變化較大的尾跡區(qū)氣流偏角超出了三孔尾跡探針校準(zhǔn)范圍，恰好凸出了PIV技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于跨聲速葉柵流場(chǎng)，葉柵槽道及尾跡區(qū)流場(chǎng)速度變化較大，建議采用分塊開展PIV測(cè)量，后期采用拼接處理，可提高對(duì)尾跡區(qū)等流場(chǎng)細(xì)微結(jié)構(gòu)的捕捉能力。本文提出的PIV測(cè)量技術(shù)也可用于連續(xù)式葉柵風(fēng)洞中。

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作者簡(jiǎn)介:

馬昌友(1981-)，男，安徽天長(zhǎng)人，高級(jí)工程師，在讀博士。研究方向：氣動(dòng)葉片試驗(yàn)技術(shù)研究。通訊地址：四川省江油市305信箱三室(621703)。E-mail：gtemacy@163. com