平面擴壓葉柵流場PIV與三孔尾跡探針對比測試研究

馬昌友, 侯敏杰, 凌代軍, 幸曉龍

(中國航空工業集團公司 中國燃氣渦輪研究院, 四川 江油 621703)

0 引 言

平面葉柵風洞在葉柵性能基礎研究中占據了極為重要的地位，因此，對葉柵流場的準確測量是至關重要的。目前通常采用三孔或五孔尾跡測壓探針對葉柵流場性能進行測試[1]，其特點是只能進行單點測量，對流場影響大，無法對葉片間槽道流場進行測量，測量時間長、效率低, 并且得到的是平均意義下的氣流參數。當葉柵發生較嚴重的氣流分離時，柵后尾跡區的氣流角變化較大，并且存在氣流旋渦，真實氣流方向與探針軸線夾角遠遠大于探針校準角度，超出了探針應用范圍，這時測得的值準確度降低，往往不能正確地反映實際流動[2]。

近年來，非接觸式瞬態流場測速技術PIV (Particle Image Velocimetry)，克服了接觸式單點測量設備的局限性,可以無干擾地獲得葉柵槽道瞬時速度場、渦量場等, 已成為研究葉柵流場的一種先進測試手段[3-4]。國內外在葉柵流場PIV測試技術研究方面已取得了卓著的成績[5-10]，但由于PIV 技術比較復雜，影響測試結果因素比較多，如示蹤粒子的選取與播撒[11-12]、激光片光與CCD的布局等，都會影響所測流場的準確性，國內在高速風洞中開展的PIV應用研究較少。

作者基于暫沖式平面葉柵風洞，利用2D-PIV系統對某亞聲速擴壓葉柵流場進行了測量，以解決示蹤粒子撒播、PIV光路布局及標定等技術問題，并對零迎角不同進口馬赫數狀態下的葉柵中截面槽道及尾跡速度場分布進行分析研究。為驗證PIV測試結果的準確性，還利用三孔尾跡探針的測試結果和數值計算結果對2D-PIV在葉柵流場測試結果的可靠性進行驗證。

1 實驗設置

本實驗在中國燃氣渦輪研究院暫沖式超、跨聲速平面葉柵風洞試驗器上進行[13]。葉型為某亞聲速擴壓葉型，弦長B=65mm，柵距T=49.1mm，安裝角γ=60.65°，設計進口氣流角β1=45.7°，設計進口馬赫數M1=0.66。圖1為葉柵試驗件實物圖，與常規葉柵設計相比，該葉柵在設計允許的條件下，增大柵距，以便減小由于葉片彎曲帶來的光路遮擋；葉柵一側柵板材料為透明的航空有機玻璃，兼作CCD拍照視窗；葉柵另一側柵板為普通鋼柵板，以便在葉柵內部形成暗室，降低PIV測量時背景光的影響。

圖1 葉柵試驗件實物圖

實驗所使用的粒子圖像測速系統從德國LaVision公司引進。該系統是由雙脈沖激光器、CCD、同步控制器、圖像采集和裝有Davis分析軟件的計算機組成。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相機緩存為512MB，像素1600×1200，拍攝面積85mm×64mm。相機支架可對CCD在3個方向上進行精確旋轉，再配合三維位移機構，可全方位控制CCD的方向和位置。試驗時，Davis軟件通過同步器控制激光打光和CCD拍照,并進行圖像處理，獲得葉柵流道速度場分布。

為了驗證PIV試驗數據的準確性，采用三孔楔形尾跡探針對葉柵性能進行了常規測量。三孔楔形尾跡探針安裝在位移機構上，可以控制尾跡探針沿柵距方向移動。

2 實驗方案

2.1示蹤粒子投放

粒子發生器選用德國Lavision公司的Laskin PIV Part40壓力霧化式粒子發生器，需使用高壓氣源供氣，最大允許進、出口壓差可達0.6MPa。示蹤劑采用Lavision公司研制的癸二酸(2-乙基已基)酯(簡稱為DEHS)，該示蹤粒子適用于風洞、葉輪機械、發動機內流等流場，粒子平均半徑為1μm左右，優點是無毒，穩定性好，可以在不同的情況下存留幾個小時保持尺寸形狀不變。文獻[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。

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

圖2 供氣流程圖

2.2光路布置與標定

圖3為試驗時激光片光與CCD的布局方案。試驗采用從葉柵下游即試驗段出口處逆向打光，為減小葉柵出口氣流對光學部件的沖擊力，打光方向適當避開氣流方向，并確保激光片光與待測截面重合。由于采用單CCD對葉柵中截面槽道及其下游尾跡速度場進行二維速度場測量，因此要求CCD拍照方向與激光片光嚴格垂直。

圖3 激光片光與CCD布局方案

試驗前首先對測試區域進行標定。由于視窗為有機玻璃柵板，對粒子成像的畸變影響較小，加之葉柵通道不便于放置標定靶，因此直接將標有刻度的校準尺置于觀測區域獲取圖像，如圖4所示，用于標定CCD像素與實際測量范圍的換算關系，從而可實現對流場結構定量測量和標定。

3 數值模擬方法簡介

在進行PIV測量結果與三孔楔形尾跡探針測量結果對比之前，首先進行PIV測量結果與數值模擬結果對比分析，以考察PIV測量結果的可靠性。作者采用全三維粘性流場數值模擬的手段，計算獲得了該葉柵在相應狀態下的流場信息。計算使用商用NUMECA軟件的FINE/Turbo模塊，采用時間推進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行空間離散，時間項采用四階Runge-Kutta法迭代求解，湍流模型為一方程的S-A(Spalart- Allmaras)模型。計算采用多重網格法，結合當地時間步長及隱式殘差光順等加速收斂技術。計算域的網格劃分，采用了結構化網格的HOH型網格，計算的總網格量約30萬，壁面處理采用了絕熱無滑移條件。

圖4 二維葉柵流場PIV標定方法

4 結果分析

4.1葉柵流場周期性

為保證試驗數據準確可靠，PIV測試前需在葉柵進、出口建立周期性流場。圖5繪出了進口氣流角為β1=45.7°時，葉柵進口馬赫數分別為M1=0.5、0.66、0.73和0.8時柵前馬赫數沿額線方向3個柵距的分布。由圖可見，柵前進口馬赫數沿柵距分布周期性是比較好的。在出口流場方面，圖6繪出了柵后測量截面兩個柵距的尾跡總壓恢復系數分布圖，也說明試驗流場周期性是比較好的。基于此，本文只對一個柵距的葉柵流場進行了PIV測量。另外通過圖6定性地比較和分析尾跡區寬度、深度等表征葉柵損失大小的特征，可以發現，隨著進口馬赫數的提高，葉柵損失呈現快速上升的趨勢。

圖5 葉柵進口速度沿額線分布

圖6 葉柵出口尾跡參數分布

4.2葉柵全流場PIV測量與數值計算結果對比

圖7給出了在設計進口氣流角β1=45.7°，進口馬赫數M1分別為0.6和0.73狀態下，利用PIV系統采集并經粒子圖像計算得到的葉柵流場的瞬態速度矢量圖。PIV圖像分析查問域(Interrogating Window)為64pixel×64pixel，成像系數為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，但由于本文關注葉柵槽道及尾跡流場的全域測量，未能獲得尾跡區的細微結構。由于葉片的存在，使得靠近葉片表面區域沒有速度向量。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。計算中通過創建遮罩Mask方法來屏蔽該區域。

圖8給出了在設計進口氣流角β1=45.7°，進口馬赫數M1分別為0.6和0.73狀態下，通過CFD數值模擬得到葉柵流場的速度矢量圖。對比PIV測量結果和CFD數值模擬結果可以看出，PIV測得的葉柵中截面二維速度矢量場合理地反映了葉片槽道及尾跡的流動結構。從PIV試驗和CFD計算結果可以看出，在設計迎角下，葉背沒有發生氣流分離。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。但由于本文關注葉柵槽道及尾跡流場的全域測量，未能捕捉到尾跡區的細微結構。

另外，從圖7可以看出，圖中局部小區域的速度矢量與圖8相應位置存在較大差異，主要集中在葉背，這是因為該位置處的葉柵柵板受到液體示蹤劑的污染，并不斷聚集，導致該區域的粒子圖像沒能合理反映出葉柵中截面的流動結構。因此今后開展葉柵流場測量，特別是在較高馬赫數或大迎角下，需要考慮壁面污染對測量的影響。

(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PIV與尾跡探針測量結果對比

由于尾跡探針測量得到的是穩態定常數據，而PIV測得的為瞬態數據。為了進行尾跡探針和PIV測量結果對比， PIV在同一狀態進行了30次速度場數據采集，對30組瞬態速度場數據進行了平均，從而得到時均意義下穩態速度場。

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

圖9 葉柵出口速度沿柵距分布

對圖9和10中尾跡探針和PIV測得的葉柵出口速度值和氣流角分別在一個柵距內做算術平均，即可得到葉柵出口遠場的氣流速度和方向。圖11和12分別繪出了葉柵出口速度值和氣流角隨進口馬赫數的變化趨勢。由圖11可見，從尾跡探針和PIV獲得的葉柵遠場出口氣流速度隨著進口馬赫數的提高均呈現線性增大趨勢，并且兩種測量手段獲得的速度值差別較小。由圖12可見，葉柵在設計進口馬赫數以下工作時，從尾跡探針和PIV獲得的葉柵遠場出口氣流角均不隨進口馬赫數發生明顯的變化，并且兩者測得值也較接近；當葉柵在設計進口馬赫數以上工作時，此時葉柵進口馬赫數超過臨界馬赫數，甚至接近最大馬赫數(此時葉柵堵塞)，葉片邊界層分離嚴重，導致葉柵出口氣流角隨著進口馬赫數繼續升高呈現明顯下降的趨勢，此時尾跡探針和PIV獲得的葉柵遠場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 葉柵出口速度隨進口馬赫數的變化趨勢

圖12 葉柵出口氣流角隨進口馬赫數的變化趨勢

5 誤差分析

從試驗結果對比分析來看，PIV與三孔楔形探針對平面擴壓葉柵流場測量結果基本吻合，但仍存在誤差，特別是葉柵出口氣流角的測量誤差較大。經分析，產生的誤差主要存在如下兩個方面:

一是尾跡區的氣流方向沿額線變化較大，而PIV圖像處理時查問域設置過大，導致未能捕捉到尾跡區的細微結構。由于進口馬赫數較大時，葉柵流場的速度變化范圍變大，若將查問域設置過小，會導致葉背處速度較大區域沒有有效的粒子對。如只對葉柵出口尾跡區進行PIV測量，試驗時選取合適的兩束激光時間差Δt，圖像處理時采用較小的查問域，便可提高對尾跡區流場細微結構的捕捉能力。

二是三孔楔形探針的方向特性線較差，特別是在尾跡區真實氣流方向與探針安裝方向偏角大于探針校準偏角時，用探針數據外插所得到的出口氣流角偏差較大，從而進一步加大與PIV測量結果的差異。這一點也顯示出了PIV在葉柵尾跡測量比三孔楔形尾跡探針更有優勢。

6 結 論

基于暫沖式葉柵風洞，采用數字PIV技術，并配合粒子投放和光路布置技術，對某擴壓葉型葉柵槽道及尾跡成功地進行了可視化測量。試驗結果對比分析表明：采用的PIV可以應用于葉柵流場的精確測量。

PIV與三孔楔形尾跡探針在葉柵出口尾跡的測量所獲得的氣流速度和主流區的出口氣流角重合性較好；尾跡分離區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氣流偏角超出了三孔尾跡探針校準范圍，恰好凸出了PIV技術優勢。但對于跨聲速葉柵流場，葉柵槽道及尾跡區流場速度變化較大，建議采用分塊開展PIV測量，后期采用拼接處理，可提高對尾跡區等流場細微結構的捕捉能力。本文提出的PIV測量技術也可用于連續式葉柵風洞中。

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作者簡介:

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