噴管流場V3V試驗示蹤粒子特性研究

盛 超，葉喜輝，于忠強，滕 狀，白春雨

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

PIV[1-4]是1種瞬態流動速度場測量技術，在風流非接觸測試研究中越來越受到重視。目前PIV技術發展的最新產品為體3維流場測試儀系統[5-6]（簡稱V3V），可以實現對140 mm×140 mm×100 mm流體3維速度的測量，捕捉到流場的3維結構，采用4臺CCD探頭從不同角度記錄被照明體區域，使用雙腔脈沖激光器各發射1束激光，CCD探頭瞬間采集8張圖片，8張粒子圖象分別來自A幀（時間=t）和B幀（時間=D△t+t），使用三角抖索技術定位粒子3D空間位置，通過A幀和B幀配比得到粒子的空間速度。在國外，Troolim等[7-10]將V3V試驗方法首先運用于渦輪槳攪拌槽內流場研究，取得了3維流場結果；在國內，鮑蘇洋等采用V3V測試技術研究了槳葉附近湍流流場，并與2D-PIV測試結果進行了對比分析。綜上，在國內外V3V測試技術在水流測量研究方面成功應用，技術準確性十分可靠。該技術在測量氣體流場方面尚未開展相關研究。2D-PIV選擇高品質示蹤粒子有豐富成功的經驗[11-15]，而V3V使用的是體光源，通常使用較大的示蹤粒子增加散射光強度，然而較大粒徑的示蹤粒子在氣體中的流動跟隨性較差，測量誤差較大，氣體流場V3V測試成功的關鍵是選擇合適的示蹤粒子作為跟隨粒子。

本文為了選取適合氣體流場測試的示蹤粒子，搭建了噴管試驗臺，選取了3種不同粒徑的示蹤粒子進行了試驗研究，最終得到了適合V3V測試氣體流場的示蹤粒子。

1 氣體流場V3V測試

1.1 V3V系統

試驗采用TSI公司生產的V3V系統，主要由成像系統、分析顯示系統和同步控制系統組成。采用Nd:YAG（Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet）激光器，波長為532 nm，單脈沖最大能量500 mJ，最大工作頻率15 Hz；V3V探頭配備4個400萬像素（2048×2048）的CCD相機；同步器負責給相機和激光器發出同步信號，協調二者同步工作；圖像的顯示、采集及后處理均由系統自帶的Insight V3V 4G軟件完成。

1.2 試驗粒子

試驗粒子應滿足示蹤粒子的基本要求，即無毒、無腐蝕、穩定、無化學反應，以確保試驗人員和試驗設備不受損害。為了保證測量結果的有效性和準確性，示蹤粒子還需滿足流動的跟隨性及散光性要求。粒子跟隨流體的動力學特性可用經典BBO方程描述

式中:dp為粒子直徑；ρp為粒子密度；Up為粒子速度；df為流體元直徑；ρf為流體密度；Uf為流體元速度；μ為流體黏性系數；Vp為示蹤粒子速度；Vf為流體速度。

由BBO方程分析發現，影響粒子跟隨性參數主要分為3種:（1）粒子密度；（2）有關流體的性質（黏性系數、密度等）；（3）粒子的直徑。試驗使用的是壓縮空氣，流體的性質是確定的。粒子密度ρp和直徑dp越小，流動跟隨性越好，而根據米氏散射理論，粒徑過小會降低粒子散射光強導致采集圖像中的粒子無法識別。根據以上理論分析，本次試驗選擇3種具有代表性的粒子作為試驗粒子，其物理屬性見表1。

表1 試驗粒子物理屬性

1.3 試驗布撒系統

試驗使用的粒子發生器如圖1所示。該粒子發生器可以連續添加多種干燥的粉末作為示蹤粒子，粒子發生器容器內部設計最大工作壓力為1.6 MPa，出口設計最大工作壓力為0.8 MPa，試驗使用氬氣吹粉，以避免潮濕的空氣污染粒子。在試驗過程中監測粒子發生器進、出口壓力，分別 為 1.0～1.5、0.6～0.9 MPa。

1.4 試驗方案

在航空渦噴、渦扇發動機上，尾噴管主要作用是使燃氣發生器排出的燃氣繼續膨脹，提高燃氣噴出速度，使發動機產生反作用力。因此，研究噴管出口速度場具有實用意義。本試驗采用收斂-擴張噴管，主要由亞聲速收斂段、喉部和超聲速擴張段組成，具體結構如圖2所示。

收斂段的內壁面采用維辛托斯基曲線，以保證過渡的連續性。具體參數見表2。

圖1 粒子發生器

圖2 噴管幾何尺寸

表2 試驗噴管幾何尺寸 mm

1.5 試驗狀態

選取2種試驗狀態，見表3。理論計算出口速度分別為 Ve1=270 m/s、Ve1=336 m/s。

表3 試驗狀態

2 試驗結果與討論

2.1 示蹤粒子圖像

V3V系統采集的粒子圖像如圖3所示（激光強度最大、CCD光圈最小）。從粒子成像的清晰度和曝光效果可見，不同粒子的散光性具有明顯差別:粒徑較大的聚苯乙烯和滑石粉曝光效果很好，圖中清晰可辨別出單個粒子；粒徑較小的二氧化鈦成云狀，肉眼無法識別，在后續的試驗中不再采用二氧化鈦作為示蹤粒子進行試驗研究；初步表明粒子的散光性與粒徑大小正相關，這與米氏散射理論相符。粒徑較小的二氧化鈦和滑石粉跟隨噴管邊緣的低速氣流向外部擴散，而粒徑較大的聚苯乙烯只跟隨高速氣流運動，向四周擴散較慢。對比滑石粉與聚苯乙烯粒子圖發現，相對于密度，粒徑對粒子跟隨性影響更強。

圖3 示蹤粒子圖像

2.2 圖像粒子匹配

V3V軟件處理分為4步:粒子識別，粒子匹配，速度處理，速度插值。其中第1、3、4步和常規PIV處理方法一樣，第2步粒子匹配是V3V特有的，也是測試成功的關鍵。根據之前的標定結果，匹配4個相機中粒子的3D空間位置。

V3V軟件處理匹配結果:二氧化鈦作為示蹤粒子，識別的粒子有5萬多個，匹配率為0，未得到速度場；滑石粉識別粒子有1.5萬個，V3V軟件處理4副圖片中粒子匹配率為32.2%；聚苯乙烯識別粒子有1.5萬個，V3V軟件處理4副圖片中粒子匹配率為60%。

粒徑最大的聚苯乙烯匹配最好，表明粒徑是影響V3V軟件處理成功與否的關鍵。

2.3 流場結果

3維速度矢量流線如圖4所示。從圖中可見，聚苯乙烯匹配的粒子數較多，所以速度矢量多，流線密集。聚苯乙烯作為示蹤粒子測得的流場流線相對紊亂，原因是聚苯乙烯粒徑較大無法很好跟隨流體運動，反映流程結構失真。滑石粉作為示蹤粒子測得的流場流線相對光滑，與噴管出口自由射流流場相符。

圖4 3維矢量流線

剖面速度輪廓如圖5所示。從圖中可見，滑石粉作為示蹤粒子的速度輪廓圖顯示速度從上游到下游呈遞減趨勢，這是由于射流與周圍介質的動量、能量和質量的交換，射流將動能傳遞給周圍介質，使周圍介質速度增大，主流速度逐漸減小；聚苯乙烯作為示蹤粒子的速度輪廓圖前半部分速度無減小趨勢。

圖5 剖面速度場

在狀態1下的沿流向速度剖面如圖6所示。從圖中可見，滑石粉和聚苯乙烯作為示蹤粒子測得噴管出口主流速度Ve1-1=265 m/s、Ve1-2=257 m/s，與理論計算的速度偏差分別為2%和4.8%。

圖6 狀態1出口截面速度

在狀態2下沿流向速度剖面如圖7所示。從圖中可見，滑石粉和聚苯乙烯作為示蹤粒子測得噴管出口主流速度Ve2-1=328 m/s、Ve2-2=320 m/s，與理論計算的速度偏差分別為2.4%和4.78%。

圖7 狀態2出口截面速度

3 結論

（1）粒徑是V3V測試用的示蹤粒子特性最重要的影響因素，示蹤粒子的散射性、信噪比、跟隨性等均受其影響，一般粒徑越小粒子跟隨性越好，而散射強度、信噪比越差。

（2）粒徑最小的二氧化鈦（5～10μm），對于激光散射性太差，粒子亮度較弱，在V3V處理軟件識別時粒子匹配不成功；粒徑適中（20～25μm）的滑石粉，在V3V軟件處理4副圖片中粒子匹配率為30%，試驗得到的速度場與理論計算值偏差約為2%；粒徑最大（30～35μm）的聚苯乙烯，在V3V軟件處理4副圖片中粒子匹配率為40%，試驗得到的速度場與理論計算值偏差約為5%。由此可見滑石粉更適合作為測量噴管出口氣動流場的示蹤粒子。

（3）試驗測得噴管出口主流速度與理論計算值相比較小，部分原因是示蹤粒子密度比流體密度大，粒子速度小于流體元速度，即因粒子跟隨性欠佳造成的，在粒子散射性滿足V3V拍攝的前提下，還需通過試驗摸索跟隨性更好的示蹤粒子。