高 強， 田 夫， 王曉放， 孫 濤， 徐瑞祥， 張海濤

(大連理工大學 能源與動力學院， 遼寧 大連 116024)

五孔探針形變與振動對透平機械復雜流場測量精度的影響

高 強， 田 夫， 王曉放， 孫 濤， 徐瑞祥， 張海濤

(大連理工大學 能源與動力學院， 遼寧 大連 116024)

五孔探針是測量葉輪機械流場的精確工具， 探針在流場中的彎曲變形和振動都會對測試精度產生影響. 本文利用數值模擬和實驗測試的手段， 對探針在不同支撐位置和不同來流速度下的形變和振動問題進行了研究. 結果顯示:支撐點的位置嚴重影響探針的抗彎性能， 在氣流速度80 m/s、 支撐位置176 mm工況時， 五孔探針頭部的最大變形量達到1 mm， 影響了測點位置和測量氣流角度的準確性； 五孔探針的振動受支撐位置和氣流速度的影響較小， 基本不會發(fā)生由于卡門渦街誘導的流致振動現象， 對測量精度的影響可以忽略.

五孔探針； 流場； 彎曲變形

葉輪機械內部場流十分復雜， 目前大多采用CFD方法數值模擬內流場流動結構并進行深入研究. 但是數值分析結果的準確性卻需要大量的氣動實驗予以驗證， 這對透平機械復雜流場各種測量方法、 測量儀器的測量精度提出了很高的要求.

在流體力學的工程應用和實驗研究測試過程中， 通常使用各種插入式測試工具， 如熱線探頭、 皮托管、 流量計、 氣動探針等. 其中五孔探針因其原理簡單， 使用方便， 成本較低， 能夠測量三維流場等因素， 應用十分廣泛[1-3]. 但是在使用這些插入式測試工具時， 通常不考慮這些測試工具的變形問題和振動問題對實驗測試結果的影響， 即假定認為測試工具是完全靜止不動的. 這種“假定”對于測試流場的精度有多大的影響， 尚沒有進行明確的研究.

為了保證透平機械復雜流場測量的精度要求， 其中關鍵的一環(huán)就是測量工具的數值準確性和測點位置的精確性， 所以探針的變形和振動情況對于測量的影響就必須納入考慮范圍.

本文以測量葉柵流場中經常使用的五孔探針為研究對象， 結合具體的實驗工況， 通過實驗測試和數值模擬的研究手段， 比較系統(tǒng)地研究了測試工具的變形和振動問題.

1 研究內容與方法

1.1 研究對象

圖 1 五孔探針示意簡圖Fig.1 The five hole probe sketch map

本文以五孔探針為研究對象， 五孔探針是經常用于測量三維流場的高精度測試工具， 其主體部分是一個直徑為6 mm的空心圓管， 內部包含5個直徑約1 mm 的壓力導管. 通過5個孔的壓力數值可以得出測點的三維流場方向、 速度、 壓力等參數. 使用時一端固定， 測試部分放置在流場中， 如圖 1 所示.

五孔探針的支撐固定點不同， 其變形和振動的程度明顯不同， 本文選用的支撐固定方式為2種： 一種為支撐點距離探針頭部176 mm， 另一種支撐點距離探針頭部為100 mm. 分別研究探針在不同流場速度工況下的變形和振動情況， 以及對流場測試結果的影響， 實驗工況參數如表 1 所示.

表 1 實驗工況

1.2 實驗裝置與方法

實驗是在大連理工大學葉輪機械及流體工程研究所的標準射流風洞上進行的. 風洞為圓形出口， 出口內徑120 mm， 探針頭部位置在距離出口200 mm處.

位移信號的測量采用激光位移傳感器， 如圖 2 所示， 它能夠非接觸測量被測物體的位置、 位移等變化， 精度為微米級， 采樣頻率可以到達2 000 Hz， 能夠滿足實驗要求. 傳感器安裝在距離探針60 mm的位置， 激光傳感器的光束對準探針頭部， 通過接收反射波進行位移的測量. 數據通過數據采集儀傳輸到電腦上， 利用數據處理軟件DASP進行數據的讀取與分析.

圖 2 實驗臺測量系統(tǒng)Fig.2 Experimental measurement system

探針頭部的位移量是通過對不同速度下的探針位移數據進行時間平均得到的. 探針頭部的振動頻率以及振動幅值是通過將時域信號進行傅里葉分析得到的.

2 結果分析

2.1 探針在不同支撐點位置下的變形情況分析

圖 3 不同速度、 支撐點位置下的探針變形量Fig.3 Probe deformation under different velocity and support points

如圖 3 所示， 為100 mm， 176 mm的支撐點位置下， 探針頭部變形量的實驗測試結果， 橫坐標C為氣流速度， 縱坐標TD為探針頭部變形量.

探針頭部位移變形量整體趨勢是隨著速度的增加而增加的. 對比不同支撐點位置情況下探針變形情況， 可以發(fā)現支撐點位置對于探針抗彎性能有很大影響， 在80 m/s速度下176 mm支撐點位置的探針頭部變形量約1 mm， 而100 mm支撐點位置的探針頭部變形量僅0.08 mm， 意味著支撐點位置距離頭部越近， 探針的抗彎性能就越好， 變形量會有明顯的降低.

2.2 探針的振動

當粘性流體經過非流線型截面物體時， 將在物體的下游形成漩渦， 形成典型的卡門渦街， 探針放置在流場中， 交替脫落的漩禍會在探針表面的流向與橫向產生周期變化的脈動壓力， 脈動頻率可以通過式(1) 計算[4]

(1)

式中：St為斯特勞哈爾數， 只由雷諾數確定；U為流體速度；D為圓柱體直徑.

在本文的研究范圍內，St穩(wěn)定在0.2附近， 可看作常數， 脫落頻率與氣流速度成正比. 針對直徑為6 mm 的探針， 當氣流速度為5 m/s時， 對應的卡門渦街的脫落頻率為167 Hz， 當氣流速度為10 m/s時， 對應頻率為333 Hz.

為了探究卡門渦街是否會對探針的振動情況有所影響， 通過實驗測試了探針在支撐點位置為176 mm 的振動情況. 首先測定了探針在該支撐位置下的自振頻率， 測量的自振頻率為89 Hz； 然后在不同的速度工況下測量了探針的振動情況.

實驗結果如圖 4 所示， (a)(b)(c)(d)(e)分別為5 m/s, 10 m/s, 20 m/s, 50 m/s, 80m/s氣流速度工況下的探針振動頻域圖. 圖中橫坐標為頻率值， 縱坐標為振動幅值. 從圖中可以看出， 在不同氣流速度下， 探針的振動都發(fā)生在其自振頻率89Hz處. 在頻率為170Hz和225Hz處也存在著峰值， 但幅值相對較小， 且不隨氣流速度改變， 可以認為是環(huán)境振動干擾.

當速度為5 m/s和10 m/s時， 在頻率為167 Hz與333 Hz附近并沒有出現對應的旋渦脫落振動. 同時， 實驗未曾觀測到隨著速度變化而產生的振動頻率變化， 所以， 對于空氣這種低密度的流體， 圓柱繞流產生的漩渦脫落并沒有使探針產生誘導振動.

在速度小于20 m/s的情況(如圖 4(a)～(c))， 振動幅值隨著速度增加而增加， 在速度大于20 m/s的情況下， 振動幅值趨于平穩(wěn)， (如圖 4(d), (e))， 平均量在30 μm左右， 而30 μm的振動幅值相對而言是個小量， 對于探針測量精度影響不大， 可以忽略不計.

綜上所述， 對于剛度較大的探針， 在測量空氣流場時， 基本不會因空氣流動而產生渦激振動現象. 探針頭部的振動幅值相對于彎曲變形量是一個小量， 對于測量精度的影響較小.

圖 4 不同氣流速度下探針振動頻域圖Fig.4 Frequency domain of probe vibration under different velocity

圖 5 探針角度定義Fig.5 Probe angle definition

3 流場測試驗證

如圖 5 所示為探針角度的定義. 其中2號孔對應總壓孔； 4， 5孔測量β方向角度； 1， 3孔測量α方向角度. 如前文所述， 探針在高速氣流下會產生彎曲， 這種彎曲會使得探針β方向測量產生偏差， 導致氣流角度測量的失準.

為了驗證上述結果的準確性， 在一個平直射流流場， 利用探針進行流場參數的測量. 流場為長30 mm， 寬25 mm的矩形， 測點的布置為一個6×7的點陣， 流場氣流速度設置為90 m/s. 分別以176 mm 支撐點和100 mm支撐點的探針進行測量， 比較兩者角度測量結果的區(qū)別.

圖 6 兩種支撐位置下測量得到的β角度Fig.6 β angle measured in two support position

圖 6 為兩種支撐位置下探針測量得到的氣流β角度， (a)為100 mm支撐， (b)為176 mm支撐. 可以看出， 100 mm支撐位置測出的β角度在0°～0.1°左右， 而176 mm 支撐位置測出的β角度在-1.2°～-1.6° 左右， 兩者相差較大， 約1.4°， 意味著探針的彎曲對于β角度測量影響較大.

圖 7 為兩種支撐位置下探針測量得到的氣流α角度， (a)為100 mm支撐， (b)為176 mm支撐. 可以看出， 兩者數值較為接近， 相差約0.1°.

圖 7 兩種支撐位置下測量得到的α角度Fig.7 α angle measured in two support position

4 結 論

在本文的研究條件下， 通過對實驗結果分析， 可以得出如下結論：

1) 探針的抗彎能力受支撐點位置影響很大. 支撐點位置距離探針頭部較遠時， 探針會在氣流作用下產生較大的變形， 變形量的大小受氣流速度影響. 當速度增加至80 m/s時， 探針頭部的變形量甚至達到超過1 mm， 造成測點的偏移， 影響使用精度. 可以考慮通過設計提高探針的剛度或者改變支撐點位置， 以減少誤差.

2) 探針振動受圓柱繞流產生的卡門渦街脈動壓力的影響不大， 沒有出現流致振動， 探針僅在其自振頻率范圍值附近出現了微小振動， 振動幅值在0～40 μm范圍之內， 且隨速度的變化量較小， 探針振動對于實驗的影響基本可忽略.

本文所有研究僅是在較低速度的流場下進行， 沒有涉及更高氣流速度下的振動情況， 同時， 也沒有探討長時間振動對探針疲勞強度的影響， 因此， 有必要在現有工作基礎上進行進一步研究.

[1] Dominy R G, Hodson H P. An investigation of factors influencing the calibration of 5-hole probes for 3-D flow measurements. Journal of Turbomachinery[J]. 1993, 115(3)： 513-519.

[2] 張曉東， 姜正禮， 趙旺東. 五孔探針在渦輪導向器出口流場測量中的應用[J].燃氣渦輪試驗與研究， 2010, 23(4)： 44-48. Zhang Xiaodong, Jiang Zhengli, Zhao Wangdong. Application of 5-hole probe in measurement of turbine nozzle outlet flowfield[J]. Gas Turbine Experiment and Research, 2010, 23(4)： 44-48. (in Chinese)

[3] 王濤, 李飛行. 五孔探針結構和校準[J]. 現代機械， 2012(4)： 19-22. Wang Tao, Li Feixing. Construction and calibration of five-hole probe[J]. Modern Machinery, 2012(4)： 19-22. (in Chinese)

[4] 鄧躍. 低雷諾數下均勻流和振蕩流共同作用的圓柱體受迫振動和渦激振動研究[D]. 青島： 中國海洋大學, 2014.

The Influence of Five Hole Probe Deformation and Vibration on the Accuracy of the Measurement of the Complex Flow Field of the Turbine

GAO Qiang, TIAN Fu, WANG Xiaofang, SUN Tao, XU Ruixiang, ZHANG Haitao

(School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

The five hole probe is an accurate tool for measuring the flow field of the impeller. The bending deformation and vibration of the probe in the flow field will affect the accuracy of the test. By means of numerical simulation and experimental test, the deformation and vibration of the probe in different support position and velocity are studied. The results show that the deformation of the probe is influenced greatly by the support position and the velocity of the air. The maximum deformation of the probe head reaches 1mm when the air velocity is 80m/s and the support point is 176mm. And the accuracy of the measurement is affected. The vibration of the probe is little influenced by the velocity of the air and will not happen the induced vibration because of Carmen vortex induced flow. The influence of probe vibration on measurement accuracy can be ignored.

five hole probe; flow filed; bending deformation

1671-7449(2017)03-0196-05

2016-12-22

遼寧省科技創(chuàng)新重大項目(201303002)

高 強(1993-)， 男， 碩士生， 主要從事流體機械及工程的研究.

王曉放(1960-)， 女， 教授， 博士研究生導師， 主要從事葉輪機械的研究.

TK262

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.03.003