尉星航，馬宏偉，廖 鑫

北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191

0 引言

深入理解壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特征對(duì)提升壓氣機(jī)設(shè)計(jì)能力極其重要，試驗(yàn)研究是認(rèn)識(shí)壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特征、掌握流動(dòng)機(jī)理最基本的途徑。精細(xì)的流場(chǎng)測(cè)量能夠揭示流動(dòng)機(jī)理、評(píng)估氣動(dòng)性能、指導(dǎo)優(yōu)化方向，同時(shí)對(duì)驗(yàn)證數(shù)值模擬，修正仿真算法、改進(jìn)設(shè)計(jì)思路也都有重要的意義[1]。現(xiàn)代壓氣機(jī)內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)主要分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量，其中接觸式測(cè)量技術(shù)如氣動(dòng)探針、壓力/溫度傳感器和熱線風(fēng)速儀等已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。Weichert 等[2]采用動(dòng)態(tài)壓力傳感器和熱線風(fēng)速儀研究了軸流壓氣機(jī)中Spike 型失速機(jī)理；Yamada 等[3]采用高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器通過(guò)機(jī)匣壁面壓力分布研究了Spike 型失速先兆；馬宏偉等[4]利用五孔探針、動(dòng)態(tài)壓力傳感器和單斜絲熱線風(fēng)速儀在某低速大尺寸壓氣機(jī)上研究了轉(zhuǎn)子葉頂非均勻幾何形式影響壓氣機(jī)性能和尖區(qū)流動(dòng)機(jī)制；鄭新前等[5-7]利用動(dòng)態(tài)壓力傳感器、動(dòng)態(tài)溫度傳感器和麥克風(fēng)研究了離心壓氣機(jī)失速先兆；王彤等[8-10]利用動(dòng)態(tài)壓力傳感器來(lái)識(shí)別和預(yù)測(cè)離心壓氣機(jī)失速及喘振等。然而，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量存在空間分辨率低、堵塞效應(yīng)嚴(yán)重、測(cè)量位置單一等缺陷，已經(jīng)無(wú)法滿足壓氣機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的精細(xì)測(cè)量需求。因此，壓氣機(jī)流場(chǎng)的非接觸式測(cè)量得到了迅速發(fā)展。在壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量中，常用的非接觸式測(cè)量方法有：壓敏漆（Pressure Sensitive Paint，PSP）、溫敏漆（Temperature Sensitive Paint，TSP）、激光多普勒測(cè)速技術(shù)（Laser Doppler Velocimeter，LDV）和粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocimeter，PIV）。

PSP 和TSP 原理相似，在試驗(yàn)件表面噴涂對(duì)壓力或溫度敏感的涂層，通過(guò)相機(jī)拍攝PSP 或TSP 圖像，獲得試驗(yàn)件表面空間分辨率高的壓力或溫度分布。當(dāng)前將PSP 和TSP 技術(shù)用于壓氣機(jī)流場(chǎng)測(cè)量已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，Gregory 等[11]利用PSP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了渦輪增壓器離心壓氣機(jī)葉片表面壓力測(cè)量；Bencic 等[12]采用改進(jìn)的PSP 技術(shù)用于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子測(cè)試；高麗敏[13-14]和曹傳軍[15]等在葉柵上利用PSP 技術(shù)獲得了葉片表面壓力分布。PSP 和TSP 技術(shù)僅能獲得壓氣機(jī)葉片表面壓力和溫度分布，無(wú)法獲得壓氣機(jī)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)，此外對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)葉片測(cè)試還存在諸多問(wèn)題[16]。和PSP、TSP 技術(shù)相比，LDV和PIV測(cè)速技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)三維速度場(chǎng)測(cè)量，因此在壓氣機(jī)流場(chǎng)測(cè)量中得到了廣泛使用。

在軸流壓氣機(jī)方面，國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者已經(jīng)成功將LDV和PIV測(cè)速技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量。Chesnakas 等[17]利用LDV 技術(shù)首次嘗試了軸流壓氣機(jī)內(nèi)三維速度測(cè)量。隨后Hobson 和Dober[18]使用三維LDV 技術(shù)對(duì)可控?cái)U(kuò)散定子葉片的上游和下游進(jìn)行了三維速度測(cè)量。Doukelis 等[19]開(kāi)發(fā)了測(cè)量環(huán)形葉柵內(nèi)葉尖泄漏流的LDV 技術(shù)。Tang[20]和Tian[21]利用特制的三維LDV 測(cè)量了平面葉柵葉頂間隙內(nèi)速度分布。Tian 等[22-23]利用LDV 技術(shù)對(duì)帶有動(dòng)壁模擬的低速平面葉柵進(jìn)行了三維速度測(cè)量。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)關(guān)于LDV和PIV測(cè)速技術(shù)在軸流壓氣機(jī)中的應(yīng)用也比較成熟，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)葉片通道內(nèi)部、葉尖間隙及非均勻葉頂間隙內(nèi)的狹小空間測(cè)量，如國(guó)內(nèi)馬宏偉等[24-27]利用三維LDV 測(cè)速系統(tǒng)測(cè)量了某低速大尺寸軸流壓氣機(jī)不同工作狀態(tài)下尖區(qū)泄漏渦的三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)。于賢君等[28-29]利用PIV 技術(shù)測(cè)量了某1.5 級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的尖區(qū)流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在任何工作狀態(tài)下葉頂泄漏渦都存在著非定常分裂和擺動(dòng)現(xiàn)象。隨后馬宏偉等[30]在北京航空航天大學(xué)低速大尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上利用PIV 技術(shù)研究了轉(zhuǎn)子葉頂非均勻幾何形式對(duì)尖區(qū)定常和非定常流場(chǎng)的流動(dòng)機(jī)制。劉寶杰等[31-32]在低速壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上利用PIV 技術(shù)測(cè)量了某1.5 級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的尖區(qū)流動(dòng)，證明了此壓氣機(jī)在近失速情況時(shí)發(fā)生了泄漏渦破碎。此外馬宏偉等[33-34]還利用PIV 技術(shù)對(duì)壓氣機(jī)平面葉柵開(kāi)展了一系列研究。

和軸流壓氣機(jī)相比，離心壓氣機(jī)機(jī)匣壁面幾何曲率大、葉片三維造型扭曲以及存在大小葉片等問(wèn)題，使得利用LDV 和PIV 技術(shù)測(cè)量離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)難以實(shí)施。國(guó)內(nèi)的公開(kāi)資料中，很少涉及離心壓氣機(jī)LDV 和PIV 的試驗(yàn)測(cè)量。因此，本文簡(jiǎn)單介紹LDV和PIV測(cè)速技術(shù)的基本原理，梳理國(guó)外關(guān)于LDV和PIV測(cè)速技術(shù)在離心壓氣機(jī)流場(chǎng)測(cè)量方面的進(jìn)展，并對(duì)試驗(yàn)方案、試驗(yàn)細(xì)節(jié)和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行討論，以期為國(guó)內(nèi)研究人員提供參考，同時(shí)本文還從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行討論和展望。

1 離心壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

圖1（a）為離心壓氣機(jī)的子午截面示意圖，其中R 為徑向，A 為流向，可以看到離心壓氣機(jī)主要由4 部分組成：截面0-1、截面1-2、截面2-3 和截面3-4。截面0-1 之間為進(jìn)氣裝置，其作用是把氣體以一定方向引入工作葉輪，氣流在這一段內(nèi)速度C略有增加，而靜溫T和靜壓P略有下降。截面1-2 之間為工作葉輪，是離心壓氣機(jī)的主要部件，其作用是提供壓縮氣體的機(jī)械能，一般情況下包含主葉片和分流葉片。氣流流經(jīng)工作葉輪時(shí)，在離心力作用下做徑向運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到增壓的目的，因此葉輪出口的壓力和絕對(duì)速度均比葉輪進(jìn)口處要大。截面2-3 之間為擴(kuò)壓器，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為有葉擴(kuò)壓器和無(wú)葉擴(kuò)壓器，氣流在擴(kuò)壓器內(nèi)減速擴(kuò)壓，其功能和軸流壓氣機(jī)靜子類似。截面3-4 之間為集氣裝置，在渦輪增壓器中一般為集氣蝸殼，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中一般為環(huán)形集氣管，但這兩者作用均是引導(dǎo)氣體離開(kāi)壓氣機(jī)。圖1（b）為離心壓氣機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖，擴(kuò)壓器為有葉擴(kuò)壓器，圖1（c）為氣流參數(shù)沿流程變化。圖中，Shroud（Shr）表示機(jī)匣，Hub 代表輪轂，Main-blade（Full blade,FB）代表主葉片，Splitter-blade（SB）代表分流葉片。

圖1 離心壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖及氣流參數(shù)沿流程變化Fig.1 Structure diagram of centrifugal compressor and variation of flow parameters along flow path

和軸流壓氣機(jī)不同，氣流在經(jīng)過(guò)離心壓氣機(jī)葉輪時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪使氣流方向在離心力的作用下發(fā)生變化，變?yōu)檠貜较蜻\(yùn)動(dòng)。因此流道方向與氣流方向必須保持一致，這就導(dǎo)致葉輪對(duì)應(yīng)的機(jī)匣壁面曲率較大。LDV和PIV測(cè)速技術(shù)非常依賴光學(xué)訪問(wèn)路徑，而離心壓氣機(jī)這種大曲率幾何結(jié)構(gòu)并不利于光學(xué)路徑的布置，因此利用LDV和PIV測(cè)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量還存在巨大挑戰(zhàn)。

2 LDV 測(cè)量離心壓氣機(jī)內(nèi)流研究進(jìn)展

2.1 LDV 測(cè)速技術(shù)基本原理

激光多普勒測(cè)速技術(shù)（Laser Doppler Velocimeter，LDV）是一種單點(diǎn)、非接觸式測(cè)量技術(shù)，具有測(cè)量精度高、測(cè)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[35]。其工作原理是：首先將示蹤粒子播撒到待測(cè)流場(chǎng)中，然后測(cè)量示蹤粒子在通過(guò)兩束相干激光時(shí)的多普勒頻移信號(hào)，最后將這種信號(hào)處理后獲得精確微粒運(yùn)動(dòng)速度，圖2 為L(zhǎng)DV測(cè)試技術(shù)光路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 LDV 測(cè)速技術(shù)光路結(jié)構(gòu)[36]Fig.2 Optical configurations of Laser Doppler Velocimeter[36]

20 世紀(jì)60年代后，LDV 測(cè)速技術(shù)被迅速引入壓氣機(jī)試驗(yàn)測(cè)量中，除了具有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)外，還能測(cè)量旋轉(zhuǎn)葉片排內(nèi)的相對(duì)速度和湍流強(qiáng)度。但該技術(shù)在壓氣機(jī)內(nèi)的應(yīng)用還存在諸多問(wèn)題：1）光學(xué)訪問(wèn)窗口曲率引起單束激光路徑畸變；2）入射激光在葉片表面和端壁近壁區(qū)反射導(dǎo)致信噪比降低；3）轉(zhuǎn)子葉片的幾何形狀與激光路徑干涉；4）示蹤粒子與高速流體的跟隨一致性和可探測(cè)性；5）如何保證示蹤粒子在測(cè)量區(qū)域的均勻度和粒子散射程度等。這些問(wèn)題會(huì)加大測(cè)量誤差，因此需采取一些必要措施以提高測(cè)量精度，常用方法有：1）使用特制的光學(xué)玻璃以解決激光路徑畸變問(wèn)題；2）在壁面涂抗反射涂層以解決激光發(fā)射問(wèn)題；3）選取合適的示蹤粒子并充分霧化保證均勻度、跟隨性及可探測(cè)性等。從目前公開(kāi)的資料來(lái)看，國(guó)內(nèi)將LDV 測(cè)速技術(shù)用于軸流壓氣機(jī)研究較多，可參考馬宏偉等[37-39]的工作，但用于離心壓氣機(jī)流場(chǎng)測(cè)量的報(bào)道很少，而國(guó)外在這方面起步較早，對(duì)國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展LDV 測(cè)量有借鑒意義。

2.2 LDV 測(cè)速技術(shù)測(cè)量離心壓氣機(jī)內(nèi)流進(jìn)展

Eckardt[40]利用二維LDV 測(cè)速技術(shù)詳細(xì)測(cè)量了一臺(tái)離心壓氣機(jī)出口的射流尾跡結(jié)構(gòu)，隨后又利用激光雙焦速度儀（Laser 2 Focus Velocimeter，L2F）對(duì)該葉輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量[41]。試驗(yàn)在葉輪內(nèi)部設(shè)置6×10 的測(cè)量網(wǎng)格來(lái)研究?jī)?nèi)部流場(chǎng)，在葉輪尾緣處設(shè)置5×9 的測(cè)量網(wǎng)格來(lái)觀察尾跡的位置和形狀，測(cè)量截面如圖3所示。Eckardt 公布的測(cè)量結(jié)果提供了豐富的流場(chǎng)細(xì)節(jié)，可為數(shù)值模擬提供試驗(yàn)驗(yàn)證，并作為研究離心壓氣機(jī)葉輪射流尾跡的經(jīng)典案例被眾多學(xué)者關(guān)注。

圖3 LDV 測(cè)量截面分布[41]Fig.3 Arrangement of the LDV measurement planes[41]

Krain 等[42-43]也采用二維LDV 測(cè)速技術(shù)對(duì)離心壓氣機(jī)葉輪內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，在葉輪通道內(nèi)部和擴(kuò)壓器進(jìn)口區(qū)域采用5×6 的測(cè)量網(wǎng)格來(lái)觀察通道上游射流尾跡的非定常效應(yīng)和耗散情況，測(cè)量截面如圖4所示。與Eckardt 相比，Krain 考慮了近壁區(qū)的測(cè)量誤差，并指出[42-43]：遠(yuǎn)離輪轂和壁面區(qū)域平均速度測(cè)量誤差小于1%；靠近輪轂和壁面區(qū)域，速度測(cè)量不確定性約3%。由于采用了更先進(jìn)的激光測(cè)速儀，Krain 還實(shí)現(xiàn)了分流葉片通道內(nèi)的詳細(xì)流場(chǎng)測(cè)量。但Eckardt 和Krain 并未披露更多的試驗(yàn)細(xì)節(jié)。隨后Adler 等[44]分別采用LDV 和L2F 測(cè)速技術(shù)比較了后彎葉輪和徑向葉輪內(nèi)的流動(dòng)，結(jié)果表明后彎葉輪內(nèi)的流動(dòng)沒(méi)有產(chǎn)生明顯的分流現(xiàn)象，也沒(méi)有明顯的尾跡存在。

圖4 LDV 測(cè)量截面分布[42]Fig.4 Arrangement of the LDV measurement planes[42]

Hathaway 等[45]利用LDV 技術(shù)對(duì)NASA 的大尺寸低速離心壓氣機(jī)（LSCC）內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。LSCC 是NASA 為了進(jìn)行流動(dòng)基礎(chǔ)研究而研制的大尺寸低速離心壓氣機(jī)，該試驗(yàn)離心壓氣機(jī)含有一個(gè)后掠葉輪和無(wú)葉擴(kuò)壓器。為了盡可能測(cè)量葉片表面邊界層內(nèi)的流動(dòng)信息，葉片型線從輪轂側(cè)至機(jī)匣側(cè)均為直線，激光光路平行葉片表面，可以減少葉片表面反射。在葉輪入口、中部以及出口對(duì)應(yīng)的機(jī)匣壁面位置安裝了3 個(gè)光學(xué)窗口，可以覆蓋全流道流場(chǎng)測(cè)量。每個(gè)光學(xué)窗口具有復(fù)合曲率，在流向和周向上與機(jī)匣輪廓匹配，保證準(zhǔn)確的葉頂間隙。圖5 給出了該低速離心壓氣機(jī)子午流道LDV 測(cè)量位置，圖中J為此截面測(cè)點(diǎn)數(shù)目，m/ma為測(cè)量截面位置（0 值表示葉輪進(jìn)口，1 值表示葉輪出口）。示蹤粒子為聚苯乙烯乳膠（PSL）粒子，并分散在水與乙醇的混合液中，平均尺寸在0.80～0.95 μm之間，這個(gè)尺寸可以保證示蹤粒子在流場(chǎng)中具有很好的跟隨性；氣動(dòng)霧化器將示蹤粒子在葉輪前緣3 m處?kù)F化，水和乙醇會(huì)迅速蒸發(fā)留下懸浮在空氣中均勻的PSL 粒子。值得注意的是：將PSL 加入到水和乙醇的混合液載體中可確保單個(gè)PSL 粒子不會(huì)聚集成更大的顆粒，保證示蹤粒子在流場(chǎng)中的均勻度。

圖5 低速離心壓氣機(jī)（LSCC）子午流道LDV 測(cè)量位置示意圖[45]Fig.5 Meridional view of low-speed centrifugal compressor(LSCC)rotor showing laser anemometer measurement locations[45]

試驗(yàn)結(jié)果表明：葉冠表面附近的無(wú)葉空間流場(chǎng)由兩個(gè)低動(dòng)量區(qū)域組成，一個(gè)來(lái)自黏性葉片尾跡，另一個(gè)來(lái)自主流動(dòng)量尾跡；試驗(yàn)還成功測(cè)量到葉片表面附近的低動(dòng)量流體沿展向遷移至葉尖區(qū)域。該試驗(yàn)的意義在于證明大尺寸離心壓氣機(jī)有能力提供LDV測(cè)量所需要的光學(xué)訪問(wèn)通道，使離心壓氣機(jī)葉輪通道內(nèi)部三維速度場(chǎng)的測(cè)量成為可能，在特定情況下，LDV 測(cè)速技術(shù)可以得到葉片表面邊界層內(nèi)流動(dòng)細(xì)節(jié)。不足之處在于，大尺寸低速離心壓氣機(jī)便于開(kāi)展基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，但卻難以模擬高速離心壓氣機(jī)內(nèi)部的真實(shí)工作狀態(tài)。

隨后Skoch 等[46]在NASA 一個(gè)壓比為4 的高速離心壓氣機(jī)上進(jìn)行了LDV 試驗(yàn)測(cè)量，以驗(yàn)證小型高速離心壓氣機(jī)中是否存在大尺寸低速離心壓氣機(jī)中發(fā)現(xiàn)的渦流結(jié)構(gòu)。該高速離心壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)流量下的轉(zhuǎn)速為21789 r/min，葉輪由15 個(gè)主流葉片和15 個(gè)分流葉片組成，葉片型線從輪轂至葉頂以準(zhǔn)直線方式構(gòu)成。沿流道在機(jī)匣壁面布置了5 個(gè)光學(xué)窗口，基本實(shí)現(xiàn)葉輪和無(wú)葉擴(kuò)壓器的全部光學(xué)覆蓋，所有的測(cè)量截面與輪轂和機(jī)匣輪廓“準(zhǔn)正交”或幾乎垂直，圖6 為子午流道方向的光學(xué)窗口分布。和Hathaway試驗(yàn)方案相比，Skoch 使用了更多較小面積的光學(xué)窗口，可保證較小的幾何曲率，不僅有利于減弱激光通過(guò)光學(xué)窗口時(shí)的路徑畸變，還能減小彎曲的機(jī)匣壁面和光學(xué)窗口未完全匹配導(dǎo)致的局部間隙。示蹤粒子采用氧化鋁粉末，霧化后分散在100%的乙醇中，以防止氧化鋁表面電荷引起顆粒聚集；使用少量鹽酸調(diào)節(jié)乙醇-氧化鋁溶液的酸堿度以控制表面電荷。乙醇-氧化鋁混合液由位于葉輪上游的增壓箱播撒，霧化后乙醇完全蒸發(fā)，只留下氧化鋁粒子進(jìn)入壓氣機(jī)，保證了示蹤粒子的尺寸和分散度。試驗(yàn)時(shí)使用高頻編碼器進(jìn)行測(cè)量信號(hào)鎖相，結(jié)果表明：在離心力作用下，葉片及輪轂表面會(huì)誘發(fā)低動(dòng)量流體與葉頂間隙流相互摻混，并在葉輪通道和無(wú)葉擴(kuò)壓器中進(jìn)一步發(fā)展；該壓氣機(jī)葉輪通道內(nèi)流場(chǎng)與上述NASA 的大尺寸低速離心壓氣機(jī)（LSCC）結(jié)果類似。

圖6 光學(xué)窗口分布[46]Fig.6 Arrangement of the optical window[46]

Hathaway 和Skoch 采用LDV 與編碼鎖相結(jié)合的技術(shù)成功測(cè)量到離心壓氣機(jī)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)信息，其試驗(yàn)方案和試驗(yàn)細(xì)節(jié)對(duì)于國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究具有非常好的參考價(jià)值。例如，為了減弱機(jī)匣壁面曲率對(duì)光學(xué)路徑的影響，采取了面積較小的光學(xué)窗口，既能保證光束平直，又能保證葉頂間隙；采取直線輪廓葉型，可以很大程度上減弱葉片表面對(duì)激光的反射，使測(cè)量葉片表面邊界層成為可能。

上述幾位研究人員通過(guò)放大離心壓氣機(jī)尺寸、合理布置光路等方式成功測(cè)量到離心壓氣機(jī)葉輪內(nèi)部分流場(chǎng)信息，為建立葉輪內(nèi)流場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)、提供豐富試驗(yàn)數(shù)據(jù)以校核計(jì)算模型提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。此后的研究人員進(jìn)一步轉(zhuǎn)向離心壓氣機(jī)擴(kuò)壓器內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量，以期獲得更為全面的離心壓氣機(jī)流場(chǎng)信息。

Schleer[47]等利用LDV 測(cè)速技術(shù)對(duì)渦輪增壓器離心壓氣機(jī)無(wú)葉擴(kuò)壓器內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，著重分析了壓氣機(jī)在不同工況時(shí)葉頂間隙流動(dòng)對(duì)葉輪出口流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響。試驗(yàn)離心壓氣機(jī)無(wú)葉擴(kuò)壓器后部不存在蝸殼等非軸對(duì)稱部件，因此葉輪出口處流場(chǎng)具有很好的對(duì)稱性。為保證流場(chǎng)結(jié)構(gòu)完整性，試驗(yàn)時(shí)采用LDV 測(cè)速技術(shù)對(duì)兩個(gè)葉輪通道后部的無(wú)葉擴(kuò)壓器區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)陣為31×180×29，保證了足夠高的空間分辨率（軸向和徑向分別為0.5 和1.5 mm）。但Schleer 明確提到，由于光路反射和畸變等原因，LDV 測(cè)速系統(tǒng)在臨近擴(kuò)壓器輪轂側(cè)和機(jī)匣壁面?zhèn)炔⑽传@得有效數(shù)據(jù)，圖7 為具體測(cè)量區(qū)域。Schleer 使用石蠟油顆粒作為示蹤粒子，并對(duì)其在液體中進(jìn)行分散。經(jīng)過(guò)霧化后粒子平均尺寸約0.4 μm，在高速流中具有很好的跟隨性和可探測(cè)性。但其公開(kāi)論文中并未披露更多試驗(yàn)細(xì)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在葉輪出口附近，射流和葉片尾跡相互作用并迅速混合，射流-尾跡結(jié)構(gòu)和葉頂間隙流的疊加效應(yīng)主導(dǎo)葉輪出口流場(chǎng)，并提出這種流動(dòng)行為和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)并不符合經(jīng)典的“射流-尾跡”結(jié)構(gòu)。圖8 為葉輪出口徑向速度和切向速度的測(cè)量結(jié)果，圖9 為50%葉高處的徑向速度和切向速度分布。圖中，PS 代表壓力面，SS 代表吸力面，R/R2代表測(cè)量半徑與葉輪出口半徑的比值，U2為葉輪出口圓周切線速度。測(cè)量結(jié)果可以清晰的識(shí)別出葉片尾跡、葉頂間隙流及射流-尾跡結(jié)構(gòu)，具有非常好的分辨率。Schleer 研究對(duì)象為無(wú)葉擴(kuò)壓器，不存在機(jī)匣壁面的大曲率幾何結(jié)構(gòu)，因此在光路布置方面沒(méi)有特別大的技術(shù)難點(diǎn)。另外，由于無(wú)葉擴(kuò)壓器內(nèi)流場(chǎng)具有非常好的周期性和對(duì)稱性，所以其測(cè)量結(jié)果非常出色。

圖7 LDV 布置方式及測(cè)量區(qū)域[47]Fig.7 Optical setup of the LDA system and measurement area[47]

圖8 葉輪出口徑向速度和切向速度[47]Fig.8 Radial velocity and tangential velocity at impeller outlet[47]

圖9 50%葉高處的徑向速度和切向速度[47]Fig.9 Measured contours of the radial and tangential velocities at midspan for the base line clearance ratio[47]

為了研制高性能離心壓氣機(jī)，普渡大學(xué)和羅爾斯羅伊斯（Rolls-royce）公司合作開(kāi)發(fā)了高性能現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)離心壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[48]。Gooding 等[49]利用該離心壓氣機(jī)進(jìn)行了大量的LDV 測(cè)量試驗(yàn)，并詳細(xì)介紹了LDV 測(cè)速技術(shù)在高速離心壓氣機(jī)研究中的試驗(yàn)細(xì)節(jié)。

LDV 試驗(yàn)系統(tǒng)由1 個(gè)5 W 的氬離子激光發(fā)射器、2 個(gè)探頭、1 個(gè)三軸橫向系統(tǒng)和1 個(gè)脈沖頻譜分析儀組成。氬離子激光發(fā)射器包含內(nèi)部對(duì)準(zhǔn)分束器、反射器和布拉格單元。這些光學(xué)器件可以過(guò)濾掉其他波長(zhǎng)，僅通過(guò)氬離子激光器產(chǎn)生的3 種主要波長(zhǎng)（514.5、488.0 和476.5 nm），并通過(guò)光纖向探頭輸出3 對(duì)光束。試驗(yàn)時(shí)每對(duì)光束中的一束使用布拉格盒進(jìn)行40 MHz 的頻移，以解決多普勒頻移的方向偏移誤差。設(shè)置采樣頻率為180 MHz，帶寬為120 MHz，可測(cè)量高湍流強(qiáng)度的超聲速流動(dòng)。試驗(yàn)專門設(shè)計(jì)了三軸位移裝置固定激光探頭，步進(jìn)位移可達(dá)0.006 mm，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。同時(shí)操縱2 個(gè)探頭的可調(diào)支架，保證所有6 束激光束通過(guò)直徑為0.050 mm的定位孔，以確保空間單點(diǎn)的定位精度。

光學(xué)視窗安裝在擴(kuò)壓器頂板和葉輪尾緣對(duì)應(yīng)的機(jī)匣壁面?zhèn)?，覆蓋范圍從距葉輪尾緣80%處至擴(kuò)壓器葉片出口，特制兩個(gè)0.5 cm 厚的熔融石英光學(xué)玻璃可以實(shí)現(xiàn)85%的流場(chǎng)測(cè)量。圖10 為光學(xué)窗口安裝位置，圖11 為實(shí)際測(cè)量位置。

圖10 光學(xué)窗口位置[49]Fig.10 The diffuser access window of the test stage[49]

圖11 關(guān)鍵測(cè)量位置[50]Fig.11 Key measurement locations[50]

然而，狹窄的幾何通道以及壓氣機(jī)幾何限制使得激光測(cè)點(diǎn)很難覆蓋氣流流動(dòng)的所有區(qū)域，這種問(wèn)題在小型高速離心壓氣機(jī)流場(chǎng)測(cè)量中更加突出。為此，研究人員設(shè)計(jì)了三種裝置來(lái)解決激光無(wú)法進(jìn)入葉輪通道內(nèi)部的問(wèn)題：第一種，激光直接進(jìn)入流道，單分量探頭垂直偏移并傾斜一定角度，以解決沿展向的測(cè)量問(wèn)題；第二種，利用平面鏡將兩激光探頭發(fā)射的激光從圖10（a）左側(cè)射入擴(kuò)散器；第三種，利用平面鏡將兩激光探頭發(fā)射的激光從圖10（a）左側(cè)（2 個(gè)分量）和底部（1 個(gè)分量）射入擴(kuò)壓器。研究人員指出，這三種光路布置方案以及測(cè)量方式幾乎適用于所有葉輪機(jī)械測(cè)量。示蹤粒子采用癸二酸二乙基己酯，使用六噴嘴霧化器在葉輪進(jìn)口前霧化，可最大程度地將示蹤粒子均勻播撒在氣流中。另外，Gooding還開(kāi)發(fā)了一種新的基于混合模型的窄帶噪聲隔離統(tǒng)計(jì)方法，并給出了方法介紹、驗(yàn)證步驟以及測(cè)量結(jié)果，此處對(duì)具體數(shù)據(jù)處理方法不做過(guò)多介紹。

試驗(yàn)還給出了一些非常有用的建議：壓氣機(jī)內(nèi)部的狹窄通道必須使用涂層減輕激光在葉輪表面的反射，以獲得足夠高的信噪比；在光學(xué)訪問(wèn)窗口表面必須使用具有一定透光率、波長(zhǎng)和入射角的抗反射涂層，以達(dá)到減少激光反射并保證傳送激光功率的雙重作用；選擇表面涂層時(shí)要確保激光能量能被涂層耗散而不是損壞，以及涂層不能與示蹤粒子發(fā)生相互作用，例如某些親油或者親水性涂層可能會(huì)增加示蹤粒子的凝結(jié)能力；離軸采集可以在不犧牲速度測(cè)量精度的情況下提高空間分辨率。采用上述先進(jìn)LDV 測(cè)速技術(shù)，Gooding 首次成功獲得了航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速離心壓氣機(jī)內(nèi)的非定常三維速度流場(chǎng)信息，圖12 給出了85% 葉高處的瞬時(shí)軸向速度分布，X以軸線為原點(diǎn)，代表徑向半徑/葉輪出口半徑，Y取值與X相同，但與X相互垂直。

圖12 85%葉高處的軸向瞬時(shí)速度分布[49]Fig.12 Instantaneous axial velocity contours at 85% span[49]

隨后Gooding[50]等利用上述LDV 測(cè)速技術(shù)及試驗(yàn)方法對(duì)同一臺(tái)高速離心壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)葉片擴(kuò)壓器中的非定常三維流動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)研究，獲得了高空間分辨率的結(jié)果。試驗(yàn)成功測(cè)量到通道渦流向發(fā)展的不穩(wěn)定現(xiàn)象，結(jié)果表明沿葉片壓力面存在一個(gè)邊界層分離區(qū)域。由于和上述試驗(yàn)采取了同樣的測(cè)量技術(shù)和試驗(yàn)方案，故不再重復(fù)介紹。Gooding 的試驗(yàn)代表了LDV 測(cè)速技術(shù)在離心壓氣機(jī)中應(yīng)用的較高水平，具有非常好的借鑒意義。但Gooding 并未測(cè)量到葉輪通道前緣附近的流場(chǎng)，如果能將Skoch 與Gooding的試驗(yàn)方案結(jié)合，或許能夠測(cè)量離心壓氣機(jī)從葉輪進(jìn)口到葉輪出口的完整流場(chǎng)，這對(duì)于研究離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)演化具有非常重大的意義。

國(guó)內(nèi)馬宏偉等[38]利用三維激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)測(cè)量研究了離心壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子近端壁區(qū)三維湍流流場(chǎng)。試驗(yàn)成功測(cè)量到葉片通道內(nèi)葉背角區(qū)存在角渦及其伴隨渦，葉盆角區(qū)存在前緣馬蹄渦的葉盆分支，它們的發(fā)展、演化較大地影響著附近區(qū)域的流動(dòng)，是造成所在區(qū)域流動(dòng)阻塞和氣流脈動(dòng)的主要因素，圖13給出了部分測(cè)量結(jié)果，r代表以離心壓氣機(jī)軸線為中心的測(cè)點(diǎn)距離。

此外，劉正先等[51]采用多普勒激光測(cè)速技術(shù)對(duì)某閉式后彎離心葉輪內(nèi)三維湍流流場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)離心葉輪為閉式直前盤(pán)后彎單圓弧葉片葉輪，在一個(gè)流道內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)布置為：沿徑向方向每隔7.5 mm 取一個(gè)測(cè)點(diǎn)，軸向33 mm 寬度內(nèi)非均勻地取7～9 個(gè)測(cè)量截面，圓周方向每次掃描14 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了閉式通風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)三維旋轉(zhuǎn)湍流流場(chǎng)的試驗(yàn)測(cè)量[52-53]。

綜上可知，目前國(guó)外采用LDV 測(cè)量離心壓氣機(jī)內(nèi)流場(chǎng)已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，針對(duì)遮光、反射、播撒示蹤粒子等問(wèn)題已經(jīng)得到一些解決方案：針對(duì)離心壓氣機(jī)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量，可以參考Eckardt[40-41]，Krain[42-43]，Hathaway[45]，Skoch[46]等的具體工作，其中Skoch 的工作非常具有參考意義；針對(duì)離心壓氣機(jī)擴(kuò)壓器內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量，可以參考Schleer[47]、Gooding[49-50]等的研究結(jié)果，其中Gooding 代表了目前LDV 測(cè)量技術(shù)的較高水平。

現(xiàn)對(duì)存在的技術(shù)難點(diǎn)及解決方案總結(jié)如下：

1）針對(duì)離心壓氣機(jī)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量，為了避免大曲率機(jī)匣壁面導(dǎo)致的光學(xué)路徑畸變，可以嘗試制作面積較小的光學(xué)訪問(wèn)窗口，以保證較小的曲率和準(zhǔn)確的葉頂間隙；另外，沿流向布置多個(gè)光學(xué)訪問(wèn)窗口可以覆蓋葉輪進(jìn)口至葉輪出口的流場(chǎng)測(cè)量；

2）針對(duì)離心壓氣機(jī)無(wú)葉擴(kuò)壓器內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)難度較低，在擴(kuò)壓器輪轂側(cè)和機(jī)匣壁面?zhèn)却嬖诘姆瓷洹⑸⑸涞葐?wèn)題，可以通過(guò)表面覆蓋涂層的方法進(jìn)行改善；

3）針對(duì)離心壓氣機(jī)有葉擴(kuò)壓器內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量存在擴(kuò)壓器通道示蹤粒子濃度不均勻的問(wèn)題，可以采取局部播撒示蹤粒子的方法解決；

4）在所有可能存在激光反射的表面都應(yīng)該使用反光涂層以防止激光反射，但需注意，反光涂層一定不能與示蹤粒子產(chǎn)生相互作用，否則會(huì)引起示蹤粒子凝結(jié)為大尺寸顆粒，從而導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量；

5）示蹤粒子的選擇要考慮與流體的跟隨性和可探測(cè)性。在高速離心壓氣機(jī)中，較大的示蹤粒子更容易探測(cè)；較小的示蹤粒子慣性小，在湍流區(qū)測(cè)量中會(huì)表現(xiàn)出更高的保真度。產(chǎn)生示蹤粒子的常見(jiàn)方式是將示蹤粒子分散到水、甘油或乙醇中，并使用加壓空氣霧化分散混合液，從而保證示蹤粒子有較好的均勻度及分散程度。

3 PIV 測(cè)量離心壓氣機(jī)內(nèi)流研究進(jìn)展

3.1 PIV 測(cè)速技術(shù)基本原理

粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocimeter，PIV）是20 世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種非接觸式光學(xué)測(cè)速技術(shù)，能獲得被測(cè)截面上瞬時(shí)速度分布，還具有空間分辨率高、測(cè)量速度范圍廣以及可連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。

PIV 試驗(yàn)時(shí)，在被測(cè)流體中散布示蹤粒子，通過(guò)雙脈沖激光片光照亮示蹤粒子，利用CCD 相機(jī)采集時(shí)間間隔特定的兩幀粒子圖像?；谙袼嘏c空間距離的標(biāo)定關(guān)系，利用相關(guān)算法獲得圖像中每一個(gè)查詢區(qū)內(nèi)粒子真實(shí)位移，計(jì)算各查詢區(qū)粒子速度進(jìn)而獲得測(cè)量區(qū)域的速度場(chǎng)分布[36]，其基本原理如圖14所示。使用單個(gè)相機(jī)可以獲得測(cè)量區(qū)域內(nèi)的二維速度分布，通過(guò)兩個(gè)傾斜相機(jī)可以獲得測(cè)量區(qū)域內(nèi)的三維速度分布。

圖14 PIV 測(cè)速技術(shù)基本原理[36]Fig.14 Schematic diagram of Particle Image Velocimeter[36]

和LDV 測(cè)速技術(shù)相比，PIV 測(cè)速技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是可以進(jìn)行面流場(chǎng)的瞬態(tài)測(cè)量，克服了LDV 單點(diǎn)測(cè)量的缺陷。和LDV 類似，PIV 測(cè)速技術(shù)在壓氣機(jī)中應(yīng)用的主要技術(shù)難點(diǎn)是光路布置和來(lái)自彎曲邊界的光線反射，且這兩個(gè)問(wèn)題比LDV 測(cè)速技術(shù)要更為嚴(yán)重。例如，壓氣機(jī)葉片沿葉高方向的扭曲會(huì)遮擋光學(xué)路徑、葉頂間隙過(guò)于狹小導(dǎo)致光學(xué)路徑無(wú)法覆蓋、幾何表面的光線反射會(huì)淹沒(méi)示蹤粒子等，這些問(wèn)題會(huì)對(duì)相機(jī)拍攝區(qū)域和拍攝質(zhì)量造成不利影響。但這些問(wèn)題是不可避免的，因此在壓氣機(jī)流場(chǎng)測(cè)量中大多數(shù)的PIV 測(cè)量都只覆蓋了有限的區(qū)域，這些區(qū)域基本遠(yuǎn)離物理邊界。實(shí)際上，針對(duì)軸流壓氣機(jī)的內(nèi)部測(cè)量，已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)馬宏偉等[37-39]已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的尖區(qū)流動(dòng)測(cè)量。但離心壓氣機(jī)的彎曲機(jī)匣壁面及沿葉高扭曲的葉輪，使離心壓氣機(jī)內(nèi)的PIV 測(cè)量尤其困難。截至目前為止，利用PIV 測(cè)速技術(shù)直接實(shí)現(xiàn)離心壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量尚未有公開(kāi)資料，還停留在葉輪進(jìn)口區(qū)域以及擴(kuò)壓器內(nèi)部區(qū)域的流場(chǎng)測(cè)量。

3.2 PIV 測(cè)速技術(shù)測(cè)量離心壓氣機(jī)內(nèi)流進(jìn)展

Paone 等[54]率先利用PIV 測(cè)速技術(shù)研究了低速離心泵無(wú)葉擴(kuò)壓器內(nèi)葉片尾跡與主流的摻混效應(yīng)。Post 等[55]在開(kāi)發(fā)雙色PIV 測(cè)速技術(shù)方面發(fā)揮了重要作用，隨后成功應(yīng)用于平面葉柵流場(chǎng)測(cè)量。Eatevadeoradal 等[56]進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了雙色PIV 測(cè)速技術(shù)，首先將其應(yīng)用于低速軸流風(fēng)機(jī)中，獲得了高分辨率的速度數(shù)據(jù)，隨后獲得了離心壓氣機(jī)擴(kuò)壓器和蝸殼內(nèi)的速度場(chǎng)分布。

Wernet[57]成功將數(shù)字粒子圖像測(cè)試技術(shù)（Digital Particle Image Velocimetry，DPIV）應(yīng)用于某高速離心壓氣機(jī)的擴(kuò)壓器中，獲得了擴(kuò)壓器流場(chǎng)的瞬時(shí)速度分布，試驗(yàn)對(duì)比了擴(kuò)壓器內(nèi)90%、50%和12%葉高處葉頂間隙流的影響，結(jié)果表明葉頂間隙產(chǎn)生的二次流會(huì)向輪轂側(cè)遷移。隨后Wernet 等[58]進(jìn)一步利用DPIV 測(cè)速技術(shù)對(duì)離心壓氣機(jī)有葉擴(kuò)壓器喘振進(jìn)行研究，Wernet 的DPIV 試驗(yàn)臺(tái)與Skoch[46]的LDV 試驗(yàn)臺(tái)一致。由于DPIV 測(cè)速技術(shù)的光學(xué)限制，Wernet 重新設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，具體離心壓氣機(jī)子午流道如圖15所示，關(guān)于LDV 的測(cè)量窗口在此不再敘述。由于DPIV 光學(xué)訪問(wèn)窗口位于擴(kuò)壓器機(jī)匣壁面?zhèn)?，面積為70 mm×70 mm，壓氣機(jī)殼體與CCD 相機(jī)干涉，相機(jī)不能直接通過(guò)該光學(xué)窗口對(duì)采集區(qū)域進(jìn)行拍攝，因此采用與采集區(qū)域成45°的平面鏡反射來(lái)完成拍攝，這會(huì)造成圖像左右翻轉(zhuǎn)，需在隨后的數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行圖像補(bǔ)償。激光發(fā)射系統(tǒng)使用了一個(gè)小型內(nèi)窺探頭，從擴(kuò)壓器出口照亮采集區(qū)域，光束平面通過(guò)一個(gè)密封窗口從探頭發(fā)射，可以保護(hù)探頭內(nèi)部的光學(xué)部件免受示蹤粒子的污染。為了防止高溫導(dǎo)致內(nèi)窺探頭中的光學(xué)透鏡發(fā)生形變，使用了特殊耐高溫涂層，以抵抗高速氣流引起的反復(fù)熱/冷循環(huán)。擴(kuò)壓器出口對(duì)應(yīng)的機(jī)匣壁面處布置了5 個(gè)內(nèi)窺探頭伸入孔，可以保證照亮4 個(gè)不同的擴(kuò)壓器葉片通道。徑向位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)內(nèi)窺探頭沿?cái)U(kuò)壓器葉高方向移動(dòng)，可測(cè)量到擴(kuò)壓器葉片通道內(nèi)壓力側(cè)、吸力側(cè)以及葉輪出口和擴(kuò)壓器之間的空間，具體位置和布置方式見(jiàn)圖16。另外，內(nèi)窺探頭插入孔經(jīng)過(guò)精密機(jī)械加工，使大約一半的探頭直徑隱藏在機(jī)匣壁面中。這種設(shè)計(jì)方案既保證了內(nèi)窺探頭不會(huì)干擾被測(cè)流場(chǎng)，又盡可能地減小了內(nèi)窺探頭侵入對(duì)原始流場(chǎng)的影響，內(nèi)窺探頭如圖17所示。

圖15 離心壓氣機(jī)子午流道示意[57]Fig.15 Schematic cross section of centrifugal compressor facility[57]

圖16 葉片擴(kuò)壓器和葉輪示意圖[57]Fig.16 Schematic drawing of vaned diffuser and impeller showing the optical viewing port and light sheet probe insertion locations[57]

圖17 內(nèi)窺探頭的剖面圖，顯示透鏡、反射鏡和出射窗[57]Fig.17 Cutaway view of the light sheet periscope probe showing lenses,mirror and exit window[57]

Wernet 在試驗(yàn)中采用氧化鋁作為示蹤粒子，并將其分散在具有酸堿度的乙醇液體中，可允許其在壓氣機(jī)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而不污染內(nèi)窺探頭。另外，氧化鋁的耐高溫特性可以防止其在光學(xué)訪問(wèn)窗口處融化而腐蝕光學(xué)窗口。示蹤粒子通過(guò)葉輪上游10 m 處的增壓噴嘴噴出，這個(gè)距離可保證示蹤粒子最大程度均勻霧化。測(cè)量結(jié)果表明，在相同離心壓氣機(jī)內(nèi)，PIV 技術(shù)測(cè)到的平均速度矢量圖效果是LDV 技術(shù)測(cè)量效果的13 倍，圖18 為葉尖間隙內(nèi)的瞬態(tài)流場(chǎng)。

圖18 葉尖間隙內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)[57]Fig.18 Tip clearance transient flow field[57]

隨后Ohuchida[59]、Cukurel[60]等采用類似的方式在離心壓氣機(jī)擴(kuò)壓器附近安裝透明光學(xué)視窗，利用PIV 記錄主流和葉輪尾跡相互作用以及在擴(kuò)壓器內(nèi)的發(fā)展過(guò)程，其方案與Wernet 等的試驗(yàn)方案類似，在此不做過(guò)多介紹。

Hayami 等[61]利用PIV 技術(shù)并結(jié)合鎖相技術(shù)對(duì)跨聲速離心壓氣機(jī)誘導(dǎo)輪前緣附近的流場(chǎng)進(jìn)行了精細(xì)測(cè)量。入射激光經(jīng)光片投影儀和反射鏡從誘導(dǎo)輪前緣上游370 mm 處反射進(jìn)入拍攝區(qū)域；采用鄰苯二甲

酸二辛酯作為示蹤粒子，經(jīng)過(guò)霧化后由誘導(dǎo)輪前緣上游300 mm 處釋放；光學(xué)窗口安裝在誘導(dǎo)輪對(duì)應(yīng)的機(jī)匣壁面處。為解決蝸殼和CCD 相機(jī)干涉問(wèn)題，采用多個(gè)平面鏡反射測(cè)量，圖19 為具體試驗(yàn)方案布置，圖20 為光片投影儀。試驗(yàn)結(jié)果可以清晰地觀察到葉片吸力面上產(chǎn)生的激波，以及一個(gè)葉片節(jié)距上的速度場(chǎng)，證實(shí)了PIV 技術(shù)和鎖相技術(shù)結(jié)合的有效性。

圖19 壓氣機(jī)和PIV 系統(tǒng)子午剖面視圖[61]Fig.19 Meridional profile of the test compressor and PIV system[61]

圖20 光片投影儀[61]Fig.20 light sheet projector[61]

德國(guó)航空航天推進(jìn)研究所（DLR）Voges 等[62]利用PIV 技術(shù)測(cè)量了一個(gè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為50 000 r/min 的高壓比跨聲速離心壓氣機(jī)葉片擴(kuò)壓器內(nèi)部流動(dòng)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)LSP 導(dǎo)光臂和石英光學(xué)窗口以實(shí)現(xiàn)較大的測(cè)量區(qū)域和較高的空間分辨率，其中石英光學(xué)窗口和擴(kuò)壓器機(jī)匣可以精密匹配，盡可能降低光學(xué)窗口對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)。為了承受壓氣機(jī)運(yùn)行期間的高溫高壓，光學(xué)窗口選擇一體化制造；在光學(xué)窗口和機(jī)匣接縫處以硅酮密封，盡量避免因邊緣應(yīng)力導(dǎo)致光學(xué)窗口破裂。CCD 相機(jī)采用雙快門照相機(jī)，其空間分辨率為1600 pixel×1200 pixel，幀頻為15 Hz。與之前采用的PIV 拍攝相機(jī)相比，幀頻增加了大約5 倍。PIV 試驗(yàn)成功測(cè)量到擴(kuò)壓器葉片通道內(nèi)的平均速度場(chǎng)和瞬時(shí)速度場(chǎng)。圖21 為試驗(yàn)離心壓氣機(jī)及光學(xué)窗口開(kāi)設(shè)位置，圖22 為相機(jī)和光源布置方案。

圖21 離心壓氣機(jī)及PIV 系統(tǒng)[62]Fig.21 Compressor facility and PIV set up[62]

圖22 PIV 安裝示意圖[62]Fig.22 Schematic of the compressor stage including the PIV setup[62]

普渡大學(xué)Cukurel 等[63]利用PIV 技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速離心壓氣機(jī)葉片擴(kuò)壓器通道內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量，結(jié)果表明擴(kuò)壓器內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉輪出口和擴(kuò)壓器進(jìn)口之間的無(wú)葉空間內(nèi)存在明顯的摻混現(xiàn)象。該P(yáng)IV 試驗(yàn)獲得的流場(chǎng)結(jié)果將用于計(jì)算流體力學(xué)的模型驗(yàn)證，有望進(jìn)一步改善壓氣機(jī)性能，同時(shí)PIV 技術(shù)在離心壓氣機(jī)應(yīng)用中的潛力也得到了證明。

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)Ubben 等[64-65]在以前的研究基礎(chǔ)上，利用更先進(jìn)的PIV 技術(shù)研究了可調(diào)控葉片擴(kuò)壓器間隙效應(yīng)。試驗(yàn)中利用內(nèi)窺鏡技術(shù)將激光從擴(kuò)壓器后部反射到擴(kuò)壓器葉片通道內(nèi)，CCD 相機(jī)通過(guò)拍攝平面鏡反射測(cè)量區(qū)域的粒子圖像完成測(cè)量。圖23 為PIV 測(cè)量區(qū)域示意圖，圖24 為試驗(yàn)布置方案，試驗(yàn)成功測(cè)量到葉片擴(kuò)壓器內(nèi)流場(chǎng)，并給出了可信的PIV 測(cè)量結(jié)果，因此Ubben 等的試驗(yàn)方法具有非常高的借鑒意義。結(jié)果表明：間隙高度對(duì)擴(kuò)壓器的流動(dòng)特性有主導(dǎo)作用，間隙高度控制間隙流量的大

圖23 PIV 測(cè)量區(qū)域及測(cè)量結(jié)果（z/b=50%）[65]Fig.23 PIV measurement area and measurement results at z/b=50%[65]

圖24 PIV 在離心壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的布置方案[65]Fig.24 Implementation of PIV at centrifugal compressor test rig[65]

小以及葉片兩側(cè)的壓差；葉輪出口與擴(kuò)壓葉片進(jìn)口之間的徑向間隙決定了無(wú)葉空間中的流道長(zhǎng)度，也決定了擴(kuò)壓葉片喉部渦的強(qiáng)度。

以上的PIV 試驗(yàn)大多集中在對(duì)較大尺寸離心壓氣機(jī)葉片擴(kuò)壓器內(nèi)的流場(chǎng)測(cè)量，也有部分學(xué)者對(duì)小型如渦輪增壓器高速離心壓氣機(jī)進(jìn)行了研究。

辛辛提那大學(xué)Guillou 等[66]利用DPIV 技術(shù)對(duì)渦輪增壓器離心壓氣機(jī)失速演化和失速控制做了一系列詳細(xì)研究，試驗(yàn)離心壓氣機(jī)葉輪出口直徑為88 mm，擴(kuò)壓器出口直徑為152 mm，轉(zhuǎn)速高達(dá)124000 r/min。Guillou 的研究重點(diǎn)聚焦于離心壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口的流場(chǎng)，該流場(chǎng)空間較大，易于拍攝，因此不需要設(shè)計(jì)光學(xué)視窗，其測(cè)試在光路布置方面幾乎沒(méi)有技術(shù)困難。示蹤粒子采用0.4～1.2 μm 的Laskin 型氣溶膠，在葉輪進(jìn)口前1.5 m 處利用高壓噴嘴將其霧化。使用兩臺(tái)幀頻為5 Hz 的高速攝像機(jī)進(jìn)行三維PIV 拍攝，然后采用一個(gè)2.0 mm×2.0 mm×2.5 mm間隔交叉網(wǎng)格的透明校準(zhǔn)靶將攝像機(jī)拍攝平面與激光片平面對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定。試驗(yàn)成功測(cè)量到離心壓氣機(jī)穩(wěn)定和不穩(wěn)定狀態(tài)下葉輪進(jìn)口前附近的流場(chǎng)演化，結(jié)果表明不穩(wěn)定狀態(tài)下氣流會(huì)從葉輪通道內(nèi)反向回流至進(jìn)氣道中，低轉(zhuǎn)速下這種現(xiàn)象更為顯著。試驗(yàn)還分析了葉輪進(jìn)口的導(dǎo)流罩效應(yīng)，圖25 為Guillou 等采用的PIV 進(jìn)口測(cè)量方案，圖26 為設(shè)計(jì)工況測(cè)量和非設(shè)計(jì)工況測(cè)量結(jié)果對(duì)比，可以觀察到非穩(wěn)態(tài)時(shí)葉輪進(jìn)口處存在明顯的回流分離區(qū)，圖中vxy代表x-y平面的速度，其余可依次類推。

圖25 PIV 測(cè)速系統(tǒng)示意圖[66]Fig.25 stereoscopic PIV configuration schematics[66]

圖26 從穩(wěn)定狀態(tài)到失速狀態(tài)（從左到右）64000 r/min（上）和88000 r/min（下）的流線和平均vxy 速度分量[66]Fig.26 Streamlines and AVG vxy vector components at 64000 r/min(top)and 88000 r/min(down)from stable regime to stall regime)[66]

為提高壓氣機(jī)的效率和工作范圍，在葉輪前緣處增加了一種再循環(huán)裝置[67]，并利用PIV 測(cè)速技術(shù)、動(dòng)態(tài)壓力傳感器結(jié)合鎖相技術(shù)等進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，測(cè)量了失速到喘振過(guò)程中葉輪前緣流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，圖27 給出了不同PIV 試驗(yàn)中相機(jī)的布置方式。

圖27 幾種不同的進(jìn)口測(cè)量方案[66,69]Fig.27 Several different import measurement schemes[66,69]

最近，Banerjee[70]利用立體粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Stereoscopic Particle Image Velocimetry，SPIV）研究了小型高轉(zhuǎn)速渦輪增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口不同工況下的流場(chǎng)，最高轉(zhuǎn)速為150000 r/min，葉輪出口直徑為49 mm，無(wú)葉擴(kuò)壓器出口直徑為85.2 mm。試驗(yàn)時(shí)將進(jìn)口管道替換成特制的透明玻璃管道，以滿足SPIV 試驗(yàn)光路要求，并利用兩個(gè)互成90°的高速相機(jī)連續(xù)捕捉葉輪前緣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，圖28 為光路布置方案及PIV 測(cè)量區(qū)域，圖29 為葉輪進(jìn)口區(qū)域拍攝平面的軸向速度va、徑向速度vr、周向速度vt分布。試驗(yàn)結(jié)果表明：在大流量情況下，流場(chǎng)均勻；隨著流量的減小，在進(jìn)口管道可以明顯觀察到前緣溢流現(xiàn)象，前緣溢流在壓氣機(jī)特性圖的效率峰值區(qū)域附近開(kāi)始，靠近管道外圍的回流具有較高的旋流強(qiáng)度，和主流摻混后將部分切向速度傳遞給主流，這種現(xiàn)象隨著流量的減小而增強(qiáng)。Gancedo[66-69]和Banerjee[70]的工作對(duì)小型高速離心壓氣機(jī)的PIV 測(cè)量具有比較好的參考價(jià)值。

圖28 壓氣機(jī)進(jìn)口管道及PIV 測(cè)量方案[70]Fig.28 Compressor inlet pipe and the PIV setup[70]

圖29 輕度喘振平均速度分布[70]Fig.29 Time-averaged velocity distributions at mild surge[70]

通過(guò)總結(jié)歸納可以看到，PIV 測(cè)速技術(shù)在離心壓氣機(jī)內(nèi)的應(yīng)用主要集中在擴(kuò)壓器內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量以及葉輪前緣流場(chǎng)測(cè)量，Wernet[57-58]關(guān)于擴(kuò)壓器內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量的工作具有較高的參考價(jià)值，包括光學(xué)窗口布置方式、片光源的布置方案、示蹤粒子的播撒方式等；而Gancedo 等[66-69]針對(duì)葉輪前緣流場(chǎng)測(cè)量則代表了當(dāng)前最高水平，其相機(jī)的布置方式以及激光布置方案非常值得學(xué)習(xí)。

目前采用PIV 測(cè)速技術(shù)測(cè)量葉輪內(nèi)部流場(chǎng)鮮有報(bào)道，主要原因是機(jī)匣壁面曲率過(guò)大、葉片幾何造型扭曲導(dǎo)致無(wú)法合理布置激光片光的打光方式，上述問(wèn)題進(jìn)一步限制了PIV 測(cè)速技術(shù)在離心壓氣機(jī)內(nèi)的應(yīng)用。其他如激光在壁面反射、散射以及示蹤粒子等問(wèn)題，PIV 測(cè)速技術(shù)和LDV 測(cè)速技術(shù)類似，在此不做過(guò)多討論。

4 討論與展望

LDV和PIV測(cè)速技術(shù)作為兩種典型的非接觸式測(cè)量技術(shù)，在離心壓氣機(jī)內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量中展現(xiàn)出了巨大潛力。LDV 測(cè)速技術(shù)成熟，適用范圍廣，可滿足高速、低速、高湍流度、分離和回流等復(fù)雜流場(chǎng)，是典型的單點(diǎn)測(cè)速方式，在近壁區(qū)有較好的測(cè)量結(jié)果，但不能同時(shí)獲得空間內(nèi)的速度場(chǎng)信息；PIV 測(cè)速技術(shù)克服了LDV 測(cè)速技術(shù)單點(diǎn)測(cè)量的限制，能完成二維及三維流場(chǎng)瞬時(shí)測(cè)量，但存在壁面反光問(wèn)題，在近壁區(qū)測(cè)量結(jié)果尚不理想。本文通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外LDV 和PIV測(cè)速技術(shù)在離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)應(yīng)用進(jìn)展，現(xiàn)做以下幾點(diǎn)討論：

1）LDV 測(cè)速技術(shù)在離心壓氣機(jī)中的應(yīng)用相對(duì)成熟，通過(guò)合理布置光學(xué)路徑、開(kāi)設(shè)光學(xué)窗口、選擇測(cè)量區(qū)域已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了離心壓氣機(jī)的全流場(chǎng)測(cè)量，如Eckardt[40-41]、Skoch[46]等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了離心壓氣機(jī)通道內(nèi)部的流場(chǎng)測(cè)量，Schleer[47]、Gooding[49-50]等已經(jīng)完成有葉擴(kuò)壓器內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量。

2）PIV 測(cè)速技術(shù)在離心壓氣機(jī)的應(yīng)用不如LDV測(cè)速技術(shù)成熟。大尺寸低速離心壓氣機(jī)基本可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)壓器內(nèi)部流場(chǎng)及葉輪前緣流場(chǎng)測(cè)量，可參考Wernet[57-58]和Ubben[64-65]等的工作；小尺寸高速離心壓氣機(jī)目前只能實(shí)現(xiàn)葉輪前緣區(qū)域流場(chǎng)測(cè)量，可參考Gancedo[66-69]等的工作，主要原因是小尺寸高速離心壓氣機(jī)擴(kuò)壓器高度可能僅有幾毫米，這對(duì)PIV 的光學(xué)路徑、相機(jī)拍攝方案提出了巨大挑戰(zhàn)。

3）LDV 和PIV 測(cè)量過(guò)程中，都存在試驗(yàn)件表面反光問(wèn)題，PIV 測(cè)量中采取片光源，這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重。目前而言，一般對(duì)試驗(yàn)件表面覆蓋吸光涂層、采用透光材料制作試驗(yàn)件等措施盡量降低反光。

4）在LDV和PIV測(cè)速試驗(yàn)中，示蹤粒子的均勻分散、有足夠高的濃度、跟隨性強(qiáng)、可探測(cè)性好等是最關(guān)鍵的因素。示蹤粒子由增壓箱霧化播撒[46]或?qū)ｉT設(shè)計(jì)的多點(diǎn)管道播撒[70]。示蹤粒子多為煙霧發(fā)生器、霧化甘油和水/油的混合物、乙醇分散體中的氧化鋁等。

國(guó)內(nèi)在應(yīng)用LDV 和PIV 測(cè)量離心壓氣機(jī)內(nèi)流場(chǎng)方面尚處于起步階段，尤其在高速離心壓氣機(jī)方面。雖然有離心葉輪的PIV 測(cè)量報(bào)道，但多在低速離心泵內(nèi)方面，且介質(zhì)為水，這與高速離心壓氣機(jī)還存在較大差別，在此不做過(guò)多討論。從目前利用LDV 和PIV技術(shù)測(cè)量離心壓氣機(jī)內(nèi)流場(chǎng)來(lái)看，LDV和PIV測(cè)速技術(shù)在離心壓氣機(jī)中的應(yīng)用還應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行挖掘和發(fā)展：

1）同時(shí)使用LDV 和PIV 測(cè)量技術(shù)來(lái)研究離心壓氣機(jī)流場(chǎng)。目前的研究結(jié)果表明，LDV 技術(shù)能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量葉輪通道內(nèi)三維流場(chǎng)，PIV 技術(shù)在測(cè)量離心壓氣機(jī)進(jìn)口和擴(kuò)壓器內(nèi)流場(chǎng)時(shí)可以取得較準(zhǔn)確的結(jié)果。因此可以同時(shí)使用這兩種測(cè)速技術(shù)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)離心壓氣機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的精細(xì)化測(cè)量；實(shí)際上Wernet[57-58]和Skoch[46]的工作已經(jīng)表明，可以同時(shí)采用LDV 和PIV 對(duì)離心壓氣機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。兩種測(cè)速技術(shù)同時(shí)使用的技術(shù)困難主要取決于所研究離心壓氣機(jī)的幾何尺寸，尺寸過(guò)小的離心壓氣機(jī)，由于空間干涉，PIV 和LDV 測(cè)量存在一定難度。

2）利用三維PIV 技術(shù)測(cè)量離心壓氣機(jī)葉輪內(nèi)流場(chǎng)。離心壓氣機(jī)葉輪曲率較大、葉片扭曲嚴(yán)重，葉輪內(nèi)部會(huì)存在由于大逆壓梯度造成的局部回流、邊界層分離、泄漏渦破碎及二次流等復(fù)雜流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。三維PIV 測(cè)試技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)速度場(chǎng)的測(cè)量，有助于更加全面、透徹地了解離心壓氣機(jī)內(nèi)部復(fù)雜三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

3）針對(duì)離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)參數(shù)測(cè)量，LDV和PIV 測(cè)速技術(shù)結(jié)合其他手段同時(shí)測(cè)量是未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)。現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向是同時(shí)進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量，如PSP 和TSP 可以實(shí)現(xiàn)葉片表面的壓力和溫度測(cè)量，LDV 或PIV 可以測(cè)量流場(chǎng)三維速度，傳統(tǒng)的氣動(dòng)探針、動(dòng)態(tài)壓力傳感器可以實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)壓力、溫度的測(cè)量。因此，多種技術(shù)結(jié)合使用一定是未來(lái)離心壓氣機(jī)流場(chǎng)測(cè)量的新方向，這對(duì)分析離心壓氣機(jī)內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)具有重大意義。