平面葉柵氣動試驗研究進展與展望1)

張慶典 馬宏偉 , 楊 益 肖安琪

* (北京航空航天大學能源與動力工程學院,北京 102206)

? (北京航空航天大學航空發動機研究院,北京 102206)

引言

平面葉柵由多個幾何形狀相同的葉片按照一定的安裝角和稠度排列而成.通過調整葉柵風洞試驗段的進出口條件(馬赫數、進出口靜壓比、進氣攻角等)來模擬葉片基元的氣動性能.平面葉柵的理論和試驗研究在壓氣機和渦輪的研制和發展過程中起過重要的作用.以平面葉柵試驗結果為依據而設計的亞聲速壓氣機和渦輪葉片是非常成功的.

平面葉柵氣動試驗主要用于驗證二維葉型的氣動性能.相比于壓氣機和渦輪級的試驗,葉柵試驗具有方便可控、易于測試的優勢,因此也被逐漸用于研究葉柵通道內二次流動、揭示通道內復雜流動現象本質和規律、研究不同的流動控制技術、探索減小葉柵內的流動損失等.

研制高性能的航空發動機需要設計高性能的壓氣機和渦輪.葉片通道內、特別是葉尖區域會出現跨音速乃至超音速流動,在部分高壓渦輪級中,還存在上游靜葉尾緣附近激波與下游轉子的相互干涉.相比于亞音速葉柵流場,超跨音葉柵流場流動結構更加復雜,各種流動與激波的干涉效應更加強烈,具有強三維性.

目前通過數值模擬開展研究葉輪機內超跨音流場中存在的激波與邊界層干擾、邊界層分離、主流與尾跡、主流與二次流的相互摻混等復雜流動現象,其計算方法、計算模型、計算精度還有待進一步提高,比如,研究波渦干涉現象,波渦干涉會改變湍流和渦的微小結構,使能夠預測簡單流動的計算模型在波渦干涉區計算精度降低,需要試驗進一步驗證、提高計算準確性.

平面葉柵氣動試驗,由于沒有葉片旋轉,相比葉輪機部件試驗是簡單易行的重要方法,可以幫助探索葉片端區復雜流動、研究葉柵氣動性能和驗證先進的數值模擬方法.這就要求發展高品質的葉柵試驗裝置、高精度的測試方法和流場可視化技術.

本文綜述了近年來平面葉柵氣動試驗相關的研究與進展,包括平面葉柵試驗裝置、流場測試方法和流場可視化技術、平面葉柵氣動試驗研究的科學問題及研究進展,期望為開展相關研究提供參考.

1 平面葉柵試驗裝置與流場質量評價方法

1.1 平面葉柵試驗裝置的發展

平面葉柵風洞一般也是由氣源、擴壓段、穩流段、收縮段、試驗段等部分所組成.與普通風洞相比,最大的差別在于試驗段的構成上.受試驗件幾何形狀的影響,葉柵風洞的試驗段截面多為矩形且寬度固定.此外,葉柵風洞的試驗段一般還具有用于調節進氣氣流角的旋轉圓盤或導流葉片、用于保證進氣均勻的邊界層抽吸系統、用于保證出口氣流周期性的尾板等.圖1 所示為德國慕尼黑聯邦國防軍大學的平面葉柵風洞試驗段的示意圖[1],相比于其他葉柵風洞,葉柵進口處還具有用于模擬尾跡效應的尾跡發生器.同時,裝置整體位于一個可調壓力的儲罐中,能夠實現馬赫數和雷諾數的獨立調節.

圖1 平面葉柵試驗段示意圖[1]Fig.1 Schematic of linear cascade[1]

組織好試驗段的氣流是平面葉柵試驗的最基本的要求.這要求柵前來流的方向、速度、壓力均勻且穩定;被測通道和相鄰通道之間具有較好的周期性;柵后出口氣流表現出較好的擾流特性.柵前來流品質主要通過對柵前整流部件進行合理的設計來實現;試驗段需要減弱或消除側壁來流邊界層對中間葉片的影響,使流場能模擬無限葉柵時的情況,通常采用增加葉片數目、優化側壁形狀、邊界層抽吸等方法;柵后通過尾板來避免出口側壁附近氣流受外界大氣干擾和混合的影響.表1 列舉了近年來部分對試驗段流場品質的研究及其研究結果,這些研究工作有利地推動了平面葉柵試驗裝置的發展,對葉柵流場品質的提高措施具有一定參考價值.

表1 試驗段流場品質研究Table 1 Investigation on flow field quality in test section

1.2 平面葉柵流場質量的評價指標和方法

平面葉柵風洞兩側的葉片在來流側壁邊界層的影響下,繞流情況明顯偏離實際葉輪時的情況,進而影響到中間葉片處的流場.同時葉柵的葉頂和葉根位置處受來流邊界層與葉片表面邊界層的相互作用產生了二次流,進一步造成了主流的收縮.其結果是對亞音壓氣機葉柵起到減少擴壓,對亞音渦輪葉柵起到加速收斂的作用.為了得到準確的試驗結果,在采取如上節所述的整流措施后,依然需要對試驗段的流場質量進行評價.對于低亞音速渦輪葉柵,通常只需要檢測柵前來流的均勻性與柵后流場的周期性.來流的均勻度一般通過柵前的一排壁面靜壓孔測得的靜壓衡量,同時柵前來流的均勻度也可由沿節距方向的軸向速度的極差值來表示,即

其中Cax為軸向速度,y為周向距離,一般認為該值小于0.01,進口氣流均勻性較好.

流場的周期性沒有明確的評價指標,通常需要借助一些可測量的流動參數進行判斷,如柵前、柵后壁面靜壓分布,通過氣動探針測量多個節距、或通過柵后端壁的一排靜壓孔、或流道中間2～3 個葉片的葉表壓力的比較來衡量.此外,各葉片通道紋影圖像、葉片表面壓力分布、葉片尾跡測量參數、葉片表面油流圖譜等也可作為流場周期性的考量[25].Zhang 等[22]在試驗段出口布置一個可沿節距方向作往復運動的三孔探針,從而驗證出口流動周期性.Woodason 等[19]先后使用三種方法對平面葉柵的流動質量進行評估,首先在葉柵通道的入口和出口處沿節距方向布置壁面靜壓測量點進行壁面靜壓的測量;其次在中間葉片上涂抹上石蠟油和石墨粉的混合物進行表面的流場可視化顯示;最后利用紋影儀進行流場顯示,進一步檢驗氣流周期性.

當存在激波時,柵板及側壁處的邊界層與激波的相互作用不僅導致額外的流動損失,同時氣流發生偏轉,產生流場遠離無限葉柵的流動情況.因此對于跨/超音速葉柵,需考慮柵前來流受端壁與側壁邊界層的影響.可通過計算葉片中間葉高處實際進氣角與名義進氣角差的絕對值,作為衡量柵前來流方向的偏斜度的指標,公式如下

其中β1為實際進氣角,為名義進氣角.當偏斜度大于0.5°時,說明邊界層對主流影響較大,需要考慮調整葉片的相對高度、增加葉片數目、采用縫隙或多孔壁等辦法來吸除側壁的邊界層.

同時,跨音速葉柵進出口速度和密度變化較大,軸向密流比(AVDR)被用于評價和衡量葉柵的二維特性,其定義為

式中分子代表中間葉高的葉柵出口位置處的密度與軸向速度的乘積的積分,分母代表中間葉高的葉柵進口位置處的密度與軸向速度的乘積的積分.理論上平面葉柵試驗的AVDR在1 左右,通過向葉柵通道內抽吸氣,可以使AVDR保持在0.95～1.15 之間.值得注意的是,在用于研究二次流結構的平面葉柵氣動試驗上,一般檢查葉柵周期性的指標,而對葉片中間葉高處的二維性的關注較少.

除以上評判措施外,還可用熱線測量進口湍流度,用附面層探針測量進口與出口端壁處的附面層厚度等方法,來檢查葉柵試驗段的流場品質[26-27].

2 平面葉柵氣動試驗的測試技術發展

2.1 葉片表面壓力場的測量方法

葉片表面壓力分布直接反映出葉片的負荷,同時也用于研究流動的分離與再附、激波/邊界層、旋渦/邊界層的干涉效應.葉片表面壓力測量的接觸式測量手段通過在葉柵中間相鄰的兩個葉片上布置靜壓測孔陣列,然后安裝穩、動態壓力傳感器來實現[28].其中一個葉片的測壓孔開在葉背表面,另一個葉片的測壓孔開在葉盆表面,這兩個相鄰葉片的吸力面和壓力面組成一個待測試的葉柵通道.馬宏偉等對葉柵靜壓陣列測試方案進行了詳細描述[29].但受限于開孔數目,接觸式測量方式測點數目較少.且在葉片表面開孔難免會破壞葉片型面,從而對流場造成干擾.近年來基于光致發光和氧淬滅原理的壓敏漆測量技術(PSP)以其較好的面測量優勢在平面葉柵試驗中逐步得到應用.

壓敏漆測壓是一種對當地氣流無干擾的非接觸式測量方法,同時具有空間分辨率高、響應速度快等特點,可應用于馬赫數較高的超跨超音葉柵試驗的葉片表面壓力測量.文獻[30-31]開展了高超音速環境下PSP 測試技術驗證研究,試驗馬赫數達到5,得到的表面壓力分布云圖較好地反映了試驗件表面的激波、激波/邊界層干擾和角渦等特征.研究內容對高超聲速PSP 測試的涂料制備、涂布、性能校準和穩態測試等起到借鑒作用.文獻[32-33]分別驗證了PSP 對亞音速葉柵的穩態壓力測量性能,將PSP 測量結果與安裝靜壓孔的穩態壓力掃描閥的測試結果對比,誤差均在6.5%范圍內,顯示了PSP 在內流測試領域特別是葉柵表面靜壓測量上的潛力.曹傳軍[34]研究了微型渦輪葉柵流場的低雷諾數效應和間隙泄漏流的摻混效應,不同間隙大小下的PSP 靜壓結果顯示了泄漏渦的渦核位置移動及渦耗散區域的變化.在非定常測量研究上,Crafton等[35]基于快速響應PSP 測量結果研究了弓形激波隨時間不斷變化、振蕩過程.張雪等[36]試驗模擬了高速葉柵中的周期非定常流動.圖2 時均場的壓力階躍反映了激波在葉片上的位置.當進氣角減小,攻角增加,激波位置向葉片前緣移動.圖2 脈動場顯示表面壓力非定常分布,可明顯看出流場的被激勵影響區域及耗散方式等非定常特征.

圖2 葉片吸力面壓力的時均和脈動分布結果[36]Fig.2 Mean and RMS PSP field images of blade’s suction surface[36]

由于PSP 激發的熒光光強與PSP 涂層表面的氧分壓成反比,因此也可用 PSP 得到的氧分壓來計算葉柵的氣膜冷卻效率[16,37-38].Jeong 等[39]考慮了冷卻氣體性質對冷卻效率的影響,分別通入不同的冷卻空氣,測量PSP 發出的熒光亮度.冷卻效率η由測得的熒光光強直接換算求得.此試驗方案設計巧妙,排除了相機的背景噪聲信號干擾,實現了葉柵氣膜冷卻效率的精準測量.

圖3 總結了利用PSP 進行葉柵表面測壓的流程和方法.試驗前將壓敏漆均勻涂布在試驗件上,做到涂層光潔、厚度一致、黏合力強,不至于被葉柵來流剝落.其次,合理地選擇光源和布置光路系統.激發光要與PSP 發出的熒光波長不同而能被識別和互相分離,考慮到葉柵試驗的氣動環境和PSP 性能,常選用二亞胺釕配合物(Ru(bpy)3)作為探針分子,該分子在靛藍色光波段(420 nm～475 nm)被激發,發出橙色波段(610 nm)的熒光,且在該波段具有較好的熒光強度和氧淬滅敏感性,激發光源選用對應的藍色LED 光.在光路布置上,要求激發光能盡量均勻地照射在葉柵待測表面.試驗時,在葉柵風洞一側設置光學窗口,從光源發出的激發光經過聚光鏡和濾光器后照射在葉片涂層,使葉片表面的PSP 探針分子產生熒光散射,散射的熒光通過濾光器和聚光鏡后被CCD 相機收集并數字化處理,之后數字信號被計算機進一步處理并輸出不同時刻的圖像信息,將測試記錄數據與事先標定的壓力數據對照比較,即可得到葉片表面的壓力分布云圖.

圖3 葉柵表面壓力分布的PSP 測量方案Fig.3 Flow chart for surface pressure measurement of blade by PSP

近年來,適用于葉柵氣動試驗的PSP 測試方案不斷發展.在設備布置上,考慮到渦輪葉片表面曲率較大,可采用兩臺或多臺LED 燈激發單一PSP 涂層[40].同時,也可使用多套PSP 采集系統同步拍攝(如圖4 所示),將各個結果拼接后得到葉片全表面的壓力數據[41].在算法處理研究上,Gao 等[42]使用透視校正算法來校正由于相機角度傾斜造成的結果誤差.高麗敏等[43]開發了PSP 的三維空間圖像重構程序,對葉片表面壓力分布進行了測量.在光路布置上,針對葉柵臺光學窗口受限的情況,在涂層與試驗件之間嵌入薄層電致發光器件[44]或有機電致發光器件[45-46],實現發光涂層與照明裝置的集成,消除了PSP 測量時對激發光源的要求.彭迪等[47]研究了基于長余輝材料的壓敏涂層測量法,試驗時不需要提供光源照射,一定程度上解決了光學窗口受限的問題.針對無法開設光學窗口的條件,彭迪等[48]提出一種基于內窺鏡的測量方案,如圖5 所示,將內窺鏡的探頭深入葉柵內部,激發光由光纖傳導通過探頭照射到涂有PSP 的葉片表面,再將PSP 產生的熒光圖像傳遞到CCD 相機上,實現對難以開設光學窗口的葉片表面的壓力的測量.PSP 通過測量熒光強度的變化來確定葉片表面壓力分布,作為一種較為成熟的表面壓力測量方法,適用于低速到跨/超音速葉柵的穩態流動[49].然而對于普通PSP 涂層來說,響應時間大多為1 s,測量動態壓力較為困難.PSP響應時間取決于氣體通過涂層的擴散率,近年來發展的快速響應壓敏漆測量技術(fast PSP)以多孔的高氣體擴散性材料作為黏合劑,使探針分子能直接和氧分子接觸發生氧淬滅反應,因此響應速度高達1 ms 以內,其中更是以陽極氧化鋁壓敏漆(AAPSP)響應時間可達到34.8 μs[50],適用于非定常流和聲學的研究.Gregory 等[51]綜述了Fast PSP 的性能及其在空氣動力學和聲學研究中的應用.由于本文重點關注PSP 技術在平面葉柵試驗上的應用,因此不對Fast PSP 的配方、制備原理、動態響應機制、頻率響應校準方法進行介紹,詳見文獻[52-54].PSP 顯現出對葉柵葉片表面壓力分布穩動態測量的潛力,適用于葉柵氣動實驗中激波/邊界層干擾機理的研究、葉柵氣動激振非定常研究,也可用于葉柵氣膜冷卻的研究.

圖4 表面全覆蓋測量[41]Fig.4 Full-blade coverage measurement[41]

圖5 內窺鏡測試方案[48]Fig.5 Full-field endoscopic measurement[48]

2.2 葉片表面溫度場的測量方法

在研究激波邊界層的干擾、流動的分離轉捩和超跨音流動的傳熱問題中,需要測量葉片表面溫度的分布.傳統試驗方法通過在葉片上布置多個獨立分布的傳感器,通過測點數據進行差分進而獲得整個表面的溫度分布.同樣受限于葉片和傳感器的尺寸,葉片上一般能獨立布置的傳感器數量有限,特別是需要得到葉頂尾緣處的瞬態溫度變化時,使用傳感器進行單點測量并不現實.而基于熱圖成像的光學測量技術則可以充分發揮其面測量的優勢,與單點傳感器測溫技術相比,具有空間分辨率高、反應速度快、無源無信號、操作方便、可重復使用等特點,近年來在葉柵的瞬態測溫、對流換熱系數測量和邊界層轉捩判斷中獲得應用.

液晶測溫是一種新興的非接觸式面測溫技術,在顯色溫度的范圍內,液晶隨溫度的變化反射不同波長的單色光.因此可通過色調圖求得液晶感受的溫度.瞬態液晶熱圖最早可用于觀察葉柵表面的邊界層轉捩現象,在同一雷諾數工況下,湍流邊界層的溫度比層流邊界層的溫度要高,因此可用于確定轉捩開始的時間和位置.而后該項技術被應用于跨音速和超音速平面葉柵傳熱試驗中去[55-56].

圖6 為液晶測溫的一般流程,其中液晶的噴涂和成膜工藝最為關鍵,直接關系到測量結果的好壞.進行液晶試驗的葉片多選用低導熱系數的非金屬材料,或者在金屬葉片表面嵌套低導熱系數的非金屬外殼,保證表面具有良好的絕熱性能.同時考慮到試驗件需要具有良好的顯色特性,即在一定的光照條件下,液晶隨溫度變化所顯示的顏色鮮艷程度、飽和程度和對比度要好,因此液晶的襯底材料多為黑色.綜合以上兩點及葉柵試驗段的氣動性能要求,葉片襯底多由噴砂處理的黑色有機玻璃或噴涂黑漆的PC 等非金屬材料制成.除了液晶的噴涂和成膜外,光源的安裝位置和光路布置方式也較為重要.光源的安裝位置需要考慮是否布置在葉柵試驗段內.合理的光路布置應使葉片表面光照均勻、無陰影,同時需要考慮是否采用偏光鏡,以消除其他雜光的反射干擾.文獻[57-59]研究了平面葉柵光路布置和攝影視角對液晶校準誤差的影響.Owen 等[60]的研究進一步表明,當光源的傾斜角度為30°時,傳熱系數的測量誤差增大到3%左右.在進行傳熱試驗時,還需要知道初始傳熱時刻到第一張熱圖開始采集的時間間隔.為了明確初始傳熱時刻,可以先將葉柵放置在風洞駐室中,待流場穩定后再放入試驗段內,以防止風洞啟動時紊亂的流場對測量結果造成影響.

圖6 葉片表面溫度分布的液晶測溫方案Fig.6 Flow chart for surface temperature distribution of cascade blade by liquid crystal

紅外熱成像法基于被測物體分子本身的熱運動所產生的紅外輻射測量物體表面的溫度.相比于熱電偶、熱電阻測量技術,也具有響應快、精度高、無流場干擾、測溫范圍廣等優點;其熱圖成像方法與瞬態液晶熱圖技術相比,光路簡單,操作也更為方便.Zhang 等[22]在高速跨音渦輪葉柵試驗臺上利用瞬態紅外熱成像技術研究了葉片表面努塞爾數分布,發現多數跨音葉片葉頂都存在著超音速流動,甚至可以達到1.8 倍馬赫數左右.O'Dowd 等[61]對當前紅外熱成像法測量技術的葉柵試驗進行了不確定度分析和鑒定.圖7 為試驗裝置示意圖,在壁面上開設硒化鋅光學窗口,為紅外相機提供測量葉片尖端表面溫度的光學通道.葉尖由導熱率非常低的環氧樹脂制成.熱電偶放置在葉尖表面,為紅外相機圖像的校準提供實時數據.在校準過程中,排除其他物體的輻射反射、表面發射率變化和硒化鋅窗口透過率對紅外相機的影響,獲得熱圖標度值和表面熱電偶的溫度讀數之間的線性關系.文獻[62-63]采用高分辨率動態紅外熱成像技術,研究了環形葉柵上游槽的形狀和位置對端壁氣膜冷卻性能的影響,試驗件由導熱系數極低的光敏樹脂通過3D 打印制作而成,為了進一步避免端壁內的熱傳導,還在其中填充了聚氨酯泡沫.

圖7 紅外熱成像法測量試驗裝置[61]Fig.7 The schematic of the test section and instrumentation with infrared thermography[61]

圖8 總結了瞬態紅外測溫的一般流程.由于金屬表面的熱擴散太快,會使紅外輻射信號被淹沒,因此試驗件材料常采用熱積值穩定的非金屬材料.考慮跨音速風洞試驗對于強度和剛度的要求,也可以使用在局部上嵌套有酚醛膠木等非金屬材料的金屬試驗件.同時,為了提高表面的輻射率,表面還需要涂布黑色無光涂料.在光學玻璃的選擇上,由于普通的光學玻璃能透過可見光,在紅外CCD 的靈敏波段卻并不適用,因此需要選用專門的紅外透光玻璃.紅外透光玻璃是熱成像光路系統的重要組成部分,常采用硒化鋅、氟化鎂等材料.前者透射光波范圍較廣,被廣泛應用于風洞試驗中,但表面反射率太高,因此在使用時需鍍消反射膜;后者在波段范圍內具有較好的透射率,無需鍍消反射膜,但透射光波范圍相對較窄,且材料折射率低.選用藍寶石(Al2O3)制成的紅外玻璃表面堅硬,在整個透射光波范圍內都具有非常高的透射率,且導熱性高、冷卻方便,適用于跨音速和超音速葉柵測試環境.試驗時試驗件發出的紅外輻射透過紅外玻璃,經光譜濾波后被CCD 相機收集,CCD 相機將輻射信號轉化為電信號,經數據處理轉化成視頻信號,最后顯示出對外輻射的熱圖,通過預先標定過的標定曲線即可獲得瞬態溫度的分布云圖.

圖8 紅外熱成像法測溫流程Fig.8 Flow chart for infrared thermograph measurement

2.3 葉柵內流速度場的測量方法

隨著激光技術和計算機圖像處理技術的迅速發展,基于光學成像的PIV 技術能夠實現對流場空間速度的實時、瞬態測量.相比于熱線測速、激光多普勒測速等一些單點測速技術具有的局限性,PIV可以實現整個面的高分辨率測量,因此適用于葉柵流場中湍流、尾跡、旋渦等流動的測量研究.目前平面葉柵的PIV 試驗研究依舊存在以下問題.

光路布置是影響測量精度和準確性的最重要因素.二維PIV 可用于測量沿葉片展向不同位置截面處的速度分布,三維PIV 則用于測量葉柵通道內沿弦長不同位置截面處的速度分布.圖9 為北京航空航天大學的施磊等[64]使用三維PIV 研究葉柵通道流場的光路布置.片光源從葉柵背部打到葉片通道中.其方向垂直于葉片吸力面和葉片型線.兩個相機分別位于葉柵的兩側,捕捉示蹤粒子的散射光,進而獲得了渦核的遷移過程.

圖9 葉柵試驗的SPIV 光路布置[64]Fig.9 SPIV setup of cascade experiment[64]

其次,二次流的測量較為困難.二次流是葉柵通道中與主流方向不一致的流動,是流動損失的主要來源.常規的二維PIV 一般要求片光源與主流的流線平行.而葉柵中二次流的二維PIV 測量需要片光源與主流垂直布置,以盡可能避免主流對二次流測量的干擾.Wang 等[65]探討了用激光偏移方法測量渦輪葉柵的二次流的可行性:采用雙脈沖激光器,調制激光光路,使兩個脈沖片光不重疊,并使第二個片光沿主流方向偏移一段距離,如同片光源在兩次脈沖期間隨主流運動,從而消除主流方向的位移對二次流測量的影響.文獻[66-67]等采用了另外一種方法測量二次流.基于雷諾數相似的準則在封閉的水槽中開展PIV 試驗.主流流速較低,從而保證在測量二次流時,示蹤粒子依舊在片光源厚度之內.試驗采用空心玻璃珠作為示蹤粒子.測量平面1～15 如圖10 所示.其中當對3～6 平面的速度場進行測量時,為了確保CCD 相機與片光源保持垂直,在圖10 (e)所示的三角形透明腔體內中填充水/甘油混合物,以減少圖像采集過程中的反射.試驗對二次流測量取得較好的效果,其測量方法和光路布置方案可被借鑒.但值得一提的是,在水洞/槽中進行渦輪葉柵的試驗,盡管可以基于雷諾數相似的準則降低主流流速,但由于水的物性,無法模擬空氣可壓縮性對流場影響的研究.

圖10 葉柵通道的二維PIV 測量平面布局[66]Fig.10 Layout of 2 D-PIV measured planes in cascade[66]

葉片壁面反光導致邊壁附近流場信息損失,而葉柵端壁附近速度場的測量對于端壁二次流的研究較為重要.目前可見的措施有表面啞光黑漆處理、涂布鏡面涂料、使用熒光材料的示蹤粒子等.Pu 等[66]將葉片表面包括整個端壁都用啞光光澤涂料涂黑,反光情況減弱.在強脈沖激光照射下,表面黑色涂層會被燒蝕.Hecklau 等[68]在葉片表面涂有一層高反射膠帶,使照射到葉片上的激光能直接反射回來,壁面反光情況大大減弱.近幾年來針對PIV 專用熒光示蹤粒子/涂料逐步發展并有望在葉柵測量中得到應用.將熒光材料與示蹤材料聯合制備熒光示蹤粒子,粒子接收激光產生波長更長的熒光.同時在相機鏡頭前安裝濾光片可以避免從物體表面散射的強光射入相機中.Krause 等[69]在研究離心泵的旋轉失速時使用了這種辦法,示蹤粒子采用摻有羅丹明B 的三聚氰胺樹脂.羅丹明B 被Nd:YAG 發出的激光激發并產生波長介于550～610 nm 之間的熒光.試驗時在PIV 相機鏡頭前安裝截止波長為590 nm 的長通濾波器.該方法盡管有效,但在經過長時間激光照射后,涂層也被破壞.Chennaoui 等[70]使用制備熒光示蹤劑,并對金屬的渦輪葉片壁面周圍的流場進行測試.未使用熒光示蹤劑時,葉片表面的反光影響了粒子成像和壁面附近的速度測量,同時也使互相關算法產生隨機分布的偽矢量.當使用制備的熒光示蹤粒子時,如圖11 所示,片光源照射的葉片下表面清晰可見.藍色熒光在圖像中產生高對比度粒子.此外,可以將專用PIV 熒光漆均勻涂抹到葉片表面和端壁上,進一步削弱壁面的反光效應,但這些方法均存在三個問題,一是熒光漆涂抹厚度不均勻,可能會改變葉片的型面;二是熒光漆在高速流場中受較大的沖擊可能容易脫落,熒光涂料與金屬材料表面的相合性也值得考慮;三是在強激光的持續照射下,熒光漆也會被逐漸燒蝕而變性,這就要求在做試驗中要迅速,避免長時間采集.除此之外,涂料的毒性、安全性和保存性均存在問題,這都限制了熒光涂料在葉柵PIV 試驗中的應用.

圖11 采用熒光示蹤法的PIV 粒子圖像和互相關結果[70]Fig.11 Fluorescence particle image and cross correlation results[70]

2.4 葉片表面流場可視化技術

油流法是一種簡單方便又直觀有效的表面流場顯示技術.常規油流試驗的示蹤粒子多采用單一顏色的鈦白粉、氧化鎂或石墨粉等.Tian 等[71]驗證了油流條紋與壁面剪切力的方向保持一致,油流軌跡線實際上顯示了氣流繞葉片表面的摩擦力線.Woodason 等[19]采用液態石蠟油和石墨粉的混合物,石墨粉的作用是限制石蠟油在還未被吹風時的流動.將摻混著石墨粉的石蠟油在葉柵葉片的吸力面上畫等間隔的虛線,對比吹風后的葉片表面跡線可對葉柵二維流場品質進行檢查.此外,還將該混合石蠟油涂抹在葉片的吸力面上,以吹風后葉片表面石蠟油的積累厚度來確定壁面上是否發生流動分離,研究跨/超音速流動時激波與壁面邊界層的相互作用.文獻[72]利用油和二氧化鈦的混合物對葉頂間隙流動進行可視化研究.在葉頂上涂抹白色的油流斑點,對比吹風后結果顯示間隙泄漏流在葉頂不同位置的流動痕跡,靠近前緣的葉頂吸力側,油流斑點模糊連成一片,表明此處受到較大的氣流沖擊作用;在靠近尾緣的吸力面附近一些油流斑點是完好無損并且依舊較濕,表明該區域沒有受到氣流的沖擊作用,是局部分離區.

跨/超音速葉柵葉片表面存在多種復雜流動且相互干擾,發生摻混效應.此時單一顏色的油流不能滿足試驗要求,彩色油流顯示技術被發展而來.在葉片表面不同位置涂上不同顏色的油流,吹風后可得到不同位置的彩色油流圖譜,研究流動的相互干擾.彩色油流多以鈦白粉作為示蹤粒子,以汽車機油或儀表油作為載體,加入不同顏色的溶油性涂料,同時加入一定量的油酸來調節涂料的黏性.Lepicovsky[73]采用彩色油流技術研究跨音速流場中葉柵稠度對流場的影響,試驗前彩色圓點由細銅絲沾上不同顏色的油流涂料形成,盡量保持圓點直徑在2～3 mm 范圍內,圖12 表明葉柵稠度較低時,存在較多大規模的分離區域.文獻[74]通過彩色油流技術研究了加裝單側肋條時壓力側葉頂附近的冷卻液進出葉頂間隙的流動路徑,圖13 顯示了跨音速工況下在吸力面葉頂尖區附近存在的大規模流動分離和二次流現象.

圖12 葉柵稠度對葉片影響的油流可視化試驗[73]Fig.12 Effects of cascade solidity for inlet flow conditions[73]

圖13 葉頂加裝單側肋條的油流可視化試驗圖[74]Fig.13 Oil flow visualization of partial squealer[74]

綜上所述,油流法操作簡單,關鍵點在于油流涂料的選擇和配比.油流涂料由示蹤粒子、油劑組成,通常加一定程度的油酸來調節黏度.制備好的油流涂料需要進行涂料配比驗證研究,保證試驗時油流條紋能正確反映出氣流繞葉片的摩擦力線圖譜.油流法在平面葉柵試驗中,可用于顯示葉片表面的流動圖譜,分析流體在葉片表面是否發生分離,以及分離和再附的位置、大小和方式,推測流場中二次流和旋渦的形成,分析激波位置及激波對邊界層的影響.但油流法只能作為一個穩態的流場顯示方法,在一些變化劇烈的非定常葉柵流場中,葉片表面油流圖譜不能準確顯示流場的附面層特征.

2.5 其他葉柵測試技術

除以上測試技術外,紋影/背向紋影、溫敏漆、表面熱膜等測試技術也分別在葉柵氣動試驗中得到了應用.相比于油流法,表面熱膜測試技術具有頻響高、同步性好的特點,可準確測量葉片壁面的剪切應力的大小,進而研究附面層的流動分離、再附和轉捩等邊界層狀態變化過程.國內的李偉、朱俊強和莊純青、劉火星等人對表面熱膜技術在測量渦輪葉柵邊界層特性上的應用做了詳細的研究[75-76].本文不對以上測試技術的發展和操作流程進行過多介紹.

3 平面葉柵試驗的相關科學問題進展

3.1 跨音速葉柵激波研究

跨音速渦輪葉柵中葉片的尾緣和葉頂間隙上常存在激波,并對流場產生較大的影響.Denos 等[77]指出葉片尾緣激波在與激振力密切相關的非定常壓力場中起著重要作用.Schennach 等[78]也得到了類似的結論,即壓力波動幅度隨激波強度變化而變化.除了對壓力的影響外,激波還會產生極高的熱負荷,從而導致葉片產生熱損傷[22].

近十幾年來,大量跨音速和高超音速的試驗表明,激波誘導的湍流邊界層分離都是一種不穩定的現象.激波在壁面附近的非定常性運動具有低頻大尺度和高頻小尺度兩種方式.如圖14 為三種典型的激波/邊界層干擾示意圖.文獻 [79]對激波/邊界層相互作用的低頻不穩定性機理進行了研究,Clemens 認為低頻不穩定性主要由上游邊界層的波動或分離流動的固有不穩定性所驅動.在強分離流動和弱分離流動時,這兩種機制占主導地位不同.

圖14 激波誘導的湍流邊界層分離[79]Fig.14 Schematic of shock wave/boundary layer interactions[79]

在激波對葉片表面邊界層影響的葉柵試驗研究中,紋影、壓敏漆、溫敏漆、油流顯示技術等作為常用的測試手段.Lepicovsky[73]基于紋影和彩色油流技術研究了某超音速低稠度葉柵的流場特征.圖15表明葉片尾緣激波非常靠近尾緣點,大部分氣流能夠在葉片吸力面上附著,在中間弦長位置處二次流效應明顯.同時在葉片尾緣處可見到由激波邊界層相互作用引起的流動分離痕跡.

圖15 紋影結果與彩色油流圖譜[73]Fig.15 Schlieren diagram and oil flow visualization[73]

文獻[80]對某跨音壓氣機葉柵吸力面上的激波對邊界層作用機制進行了研究.圖16(a)為吸力面油流圖譜,兩側端壁附近存在由角渦誘導的分離區.結合圖16(d)可以發現激波在吸力面上的位置(在圖16(a)中由一條橫穿流動方向的點狀線表示).油流圖譜16(a)中虛線位置之后的油層較厚,意味著此處壁面附近剪切應力較小,導致油層的積累,推測為激波與邊界層發生作用導致的滯止區.滯止區之后出現回流區,為激波誘導的邊界層分離導致的.PSP 得到葉片表面的靜壓分布,顯示了由激波導致的靜壓抬升.文獻[80] 綜合TSP 圖譜(圖16(c))發現壁面溫度在滯止區內發生了突變,表明此處邊界層發生了層流湍流轉變,并推測此區域為激波與層流邊界層相互作用.Watanabe 等[81]對跨音葉柵葉片表面的非定常壓力分布和角渦誘導的分離區進行研究,發現壁角位置處具有較大的壓力梯度,此處對應激波腳沖擊吸力面的位置.而角渦發生于激波腳的后方,表明激波與邊界層的相互作用影響了角渦形成和發展.

圖16 跨音葉柵吸力面試驗結果[80]Fig.16 Results of suction surface of transonic cascade[80]

在超跨音葉柵激波導致的流動損失研究上,Li 等[82]發現隨著馬赫數的增加,葉柵流動損失的增長趨勢不同.流動損失在亞音速時較為恒定,而在跨音速和超音速流動時急劇增加.此時馬赫數對流動損失的影響遠大于攻角變化對其的影響.進一步研究發現激波損失在整個葉柵損失中比例較大,并依此修正了跨音渦輪葉柵變工況時的損失關系式.在減小激波損失的措施上,主要有等離子體射流和微渦發生器等[83].吳云和李應紅[84]綜述了等離子體控制激波邊界層干擾的機理與應用.張鑫等[85]研究表明與傳統的附面層控制技術相比,基于等離子體的氣動激勵控制技術不會帶來額外的阻力,具有較好的應用前景.近年來,微渦發生器對控制激波/邊界層相互作用的研究取得了顯著進展.文獻[86]發現當使用微渦發生器時,下游出現了一對旋轉方向相反的流向渦,這些流向渦攜帶著高動量流體,增加了壁面邊界層的速度,從而抑制激波誘導的分離.與上述所有方法不同,文獻[87-88]等提出了在葉片表面開設凹槽來減弱激波的方法,圖17 紋影結果顯示在葉片的凹槽狀波表面產生了一個近似平行或發散的多激波系統.這些斜激波取代了具有高氣動損失的λ 激波腿的前支,從而使整個流場的激波損失減小.

圖17 開設凹槽型波紋的渦輪葉片和葉柵紋影圖[87]Fig.17 Grooved turbine blade and its schlieren visualization[87]

3.2 葉頂間隙泄漏流動研究

轉子葉片上方的間隙是造成泄漏流的原因,同時也是高氣動損失和熱負荷的來源.通過平面葉柵試驗可以研究葉片尖區流動特性,從而對該區域提供有效的流動控制設計和冷卻設計.長期以來研究者已經對亞音速情況下的間隙泄漏流的流動機理(如圖18)、非定常演化規律、傳熱機理等基礎問題進行了深入的研究,詳見文獻[89-91]的文章.本節則主要關注近年來跨/超音速葉柵試驗的激波與間隙泄漏流的流熱機理研究和間隙泄漏流的控制方法研究.

圖18 葉尖泄漏渦結構的氫氣泡流場顯示[89]Fig.18 Bubble visualization of tip leakage vortex[89]

葉頂附近的氣體通過間隙形成高速泄漏流,其大部分流動為跨音速,這導致激波損失,但在一定程度上也阻塞了葉頂泄漏流[92].Cheng 等[93]提出在避免葉頂與機匣內壁相互摩擦的風險下,間隙要盡可能的小.Newton 等[56,58]試驗得出來自壓力側的泄漏渦傾向于沖擊葉片尾緣尖區,導致大量的熱傳遞,此處傳熱系數甚至高于前緣的滯止區域.Du 等[94]研究了跨音壓氣機激波與泄漏流相互作用,如圖19所示為跨音速壓氣機葉片葉頂間隙三維流動結構.跨音壓氣機葉片前緣的激波與泄漏流在通道內相遇,發生波渦干涉效應.激波發生彎曲并打到相鄰葉片的吸力面上,同時將泄漏流的非定常發展分為兩種不同形式:位于激波之前的葉尖泄漏流進入通道內部與主流相互作用,發展成泄漏渦且強度較高;而激波之后的葉尖泄漏流可能會橫穿整個通道,并作用在相鄰葉片的壓力面上,一小部分會再次與壓力側的泄漏流摻混在一起,產生二次泄漏.西北工業大學的楊晰瓊等[95]進一步研究發現間隙泄漏渦會導致激波結構向上游凹曲.隨著轉子越來越接近失速點,激波在相鄰葉片吸力面的作用點將越來越靠近前緣,使第二部分泄漏流越來越強,甚至將第一部分泄漏流完全推出通道.根據Vo 等[96]的研究,第一部分泄漏流溢出是壓氣機失速先兆發生的先決條件之一.

圖19 跨音壓氣機葉片激波與泄漏流相互作用[94]Fig.19 The interaction schematic between shock wave and tip leakage flows for transonic compressor blade[94]

在渦輪葉柵的間隙流動研究中,油流、氫氣泡、紋影測試技術發揮了重要作用.圖20 為帶有間隙的渦輪葉片彩色油流圖譜[97].吸力面、壓力面和葉頂分別涂上黃色、紅色和綠色涂料,以觀察不同流動的遷移特征.泄漏流在前緣位置處流量較小,大部分泄漏流通過葉頂中部和后部形成強烈的間隙渦動,并伴隨有剪切作用.在葉頂的壓力側尾緣附近,流場發生分離和再附.圖譜上可明顯看到一條分離線(lift-off line),表明泄漏流跨過間隙流到吸力面時,與吸力面葉頂附近上洗的氣流相互作用.同時吸力面葉頂附近還有一條再附線,將參與上洗到間隙泄漏渦的氣流與下洗氣流分開.文獻[72]進一步研究表明這條線實際指示出泄漏渦撞擊到葉片吸力面上的位置.文獻[98]通過紋影試驗研究渦輪葉片間隙內的具體激波結構.氣流在壓力側邊緣分離,并在間隙內再附且形成激波.當膨脹比較低時,在再附區下游形成正激波,并終止于斜激波.而當膨脹比較高時,正激波進一步向下游移動,此時大部分葉尖間隙區域都為超音速流動.斜激波在固壁和葉尖表面發生反射,導致邊界層的迅速增厚.

圖20 跨音速渦輪葉片間隙流動示意圖[97]Fig.20 Tip flow structures of transonic turbine blade[97]

同減小激波損失的方法一樣,間隙泄漏流動的控制方法根據有無能量輸入分為主動控制和被動控制.主動控制主要為葉頂噴氣和等離子體激勵等.被動控制主要有葉頂布置凹槽、小翼等結構.表2 列舉了近年來部分對間隙泄漏流的控制措施.

表2 國內外關于控制葉頂間隙泄漏流的葉柵試驗研究Table 2 Overseas and domestic control schemes of tip clearance leakage flow on linear cascade

需要指出的是,盡管目前國內外對渦輪葉頂間隙泄漏流動控制方法做了很多研究,但仍以被動控制居多,主動控制較少[114];且在低速下開展的葉柵試驗較多,而在高速情況下開展的試驗較少.由于跨/超音速情況與亞音速流動有較大不同,當采用以上方案對葉頂進行精細化設計和改動時,間隙內流動將更加復雜.因此,需要在跨/超音速情況下開展葉頂間隙的機理研究和控制方法驗證.

3.3 葉片優化研究

葉片設計的主要目的用于減小葉型損失.因此基于現有的原始翼型展開精細化設計,也可稱之為葉型優化的氣動試驗研究.

在二維改型設計上,通過修改葉型的最大厚度及其位置、最大彎角及其位置設計出前加載/后加載葉型,用于研究葉片沿弦長方向上負荷分布對葉柵基元級性能的影響,從而進一步研究葉型損失.近年來跨音渦輪試驗成為研究熱點之一,不同跨音渦輪葉型的改型研究也大大促進了跨音葉柵在變工況時的損失機制的研究和性能評估方法的發展[19,115-116].Corriveau[117]對某跨音高壓渦輪的中間加載型的標準葉型HS1 A 進行改型,以研究跨音渦輪葉片的加載性能和負荷分布的影響,分別設計了負荷前加載和后加載葉型,在設計出口等熵馬赫數為1.05 的情況下,對三種翼型進行比較,發現在攻角變化-5°到5°范圍內,后加載翼型都能表現出更好的性能,總壓損失大幅度降低;但在其他攻角情況下,中間加載葉型總壓損失更小.Jouini 等[118]研究了非設計狀態下前緣改型對跨音渦輪葉柵性能的影響.Zhao 等[119]提出對高負荷跨音速渦輪葉片采用負曲率曲線進行改型設計,降低激波損失的方法.改型后的渦輪葉片使相鄰兩道激波的交點位置延遲,激波損失減小,總壓損失系數降低4.58%,同時葉片的負載性能得到一定程度的提升.

在葉片的三維設計上,通過對葉片的徑向積疊線進行優化,得到不同形式的彎曲葉片,用于研究端壁旋渦流動.Breugelmans 等[120]對直葉片、斜葉片、正彎葉片和反彎葉片進行試驗研究,發現三種改型后葉片的葉型損失在一定程度上都有所減小.趙桂杰等[121]試驗表明彎葉片改變了流體在葉柵通道內的徑向壓力梯度,阻止邊界層向吸力面角區聚集,從而減輕了因角渦導致的氣動損失.凌敬等[122]進一步優化了葉片的徑向積疊線,得到了總壓損失與積疊線彎角和彎高的關系.在高馬赫數條件下,彎葉片的收益更加明顯,存在一個最佳的彎角使流場氣動損失最低.

近年來研究者采用遺傳算法和神經網絡的優化方法對葉型進行優化設計,然后在平面葉柵試驗臺上對優化結果進行驗證.Sonoda 等[123]對某跨音渦輪葉型進行多參數優化.優化后的翼型總流動損失下降12%,其中尾緣損失和激波損失得到了改善,而邊界層內部的摩擦損失要更嚴重.這意味著跨音速渦輪葉柵中的激波和尾跡損失比邊界層內的黏性摩擦損失更重要.圖21 的紋影結果進一步表明尾跡損失的減小是由于壓力側尾緣附近馬赫數得到了降低.優化后的葉片在壓力側的尾緣附近具有一個小凹坑,這導致了尾緣附近形成了雙激波系統,相比于原始翼型尾緣處較強的單激波系統,激波和尾跡損失較小,流動情況得到了改善.

圖21 原始翼型與優化翼型的紋影圖譜[123]Fig.21 Schlieren image of original and modified airfoil[123]

3.4 多尺度非定常旋渦結構研究

由于黏性導致葉片端壁附近產生邊界層和壓力梯度,進而產生端部損失.端區流動方式區別于主流,具有明顯的三維流動特征.馬宏偉等[124]采用氫氣泡顯示技術,借助水洞對渦輪葉柵端壁附近的非定常流場進行了研究.劉昊[125]指出通道內端部二次流的發展起始于端壁進口邊界層發生的復雜三維分離,在通道內部完全分離并脫離端壁表面,整個過程中分離流卷起形成相應的渦系結構.旋渦的出現使得端部區域的流動呈現明顯的三維流動特性.Kan 等[126]描述了旋渦與流動損失的關系,如圖22 所示.旋渦結構是低能流體團遷移過程的“載體”,旋渦結構的發展過程就是低能流體團以旋渦結構為載體的遷移過程.同時,低能流體團的遷移過程又伴隨著葉柵流動損失的生成和發展.因此可以將端部流動損失的研究轉移到端部不同旋渦及其相互作用機理的研究中.關于平面葉柵的端壁旋渦模型及多渦—單渦演化[127]的研究方面,文獻[125,128-130]都做過詳細的綜述.在研究和發展上述模型時,氫氣泡、煙線、PIV 等測試技術發揮了重要的作用[131].

圖22 壓氣機葉柵內流動損失的渦動力原理[126]Fig.22 Vortex dynamic mechanism of curved blade affecting flow loss in compressor cascade[126]

端部二次流控制技術在不明顯改變葉柵參數前提下重新組織葉柵端部流動,抑制端部旋渦強度、減小旋渦帶來的不可逆損失.控制手段分為主動控制和被動控制[132].表3 列舉了部分葉柵端部二次流主動控制試驗研究.

表3 端部二次流的主動控制試驗研究Table 3 Active flow control of endwall secondary flow

端壁二次流的被動控制技術通過對端壁通流部分局部調整或者優化設計,從而對端區流動進行重新組織.主要包括前緣倒角、端壁分隔板、彎掠葉片技術、非軸對稱性端壁造型技術等.這些技術分別在抑制馬蹄渦、通道渦等其他二次流動中起到作用,被大量研究,此處不再贅述.

3.5 振動環境下葉柵流場研究

隨著高性能航空發動機的發展以及高推重比的要求,渦輪設計需要有更高的級負荷,而壓氣機需要有更高的單級壓比,使得級承受著較大的氣動不穩定性.在超/跨音葉柵中,當振動葉片的壓力擾動與上下游部件的反射激波耦合時,可能會發生氣動聲學顫振[139].這類氣動彈性問題往往在航空發動機試驗后期階段被發現,易造成重大損失.平面葉柵試驗由于便于測試儀器的安裝布置和流場可視化,可用于氣動不穩定性的研究.先前的顫振研究詳見文獻[140-141].近年來研究者重點關注氣動不穩定性的機理及方法.馬宏偉等[142]在壓氣機振動葉柵試驗臺上研究了葉頂吸力面肋條對葉片氣動不穩定性的影響.文獻[143-144]進行亞音速下大攻角壓氣機葉柵的振動試驗,并研究了由于葉間相位角和來流攻角等因素引起的氣動阻尼變化.Belz 等[145]發現大攻角下的分離流動會降低顫振的穩定性,而再附流動具有穩定作用.文獻[146]發現葉間相位角是發生顫振的折合頻率的函數,不穩定的葉間相位角隨著折合頻率的降低而增加.Merienne 等[147]使用Fast PSP 和Kulite 傳感器同時測量了跨音速葉片表面的非定常壓力分布,研究了下游周期性壓力擾動對振蕩激波與邊界層的相互作用的影響.圖23 高分辨率的PSP 圖像可看出激波的形狀和位置.當下游沒有周期性擾動時,激波較為穩定.時均PSP 圖像顯示出流場兩側角區附近的角渦.均方根結果顯示整個區域都較為穩定.當下游具有周期性的壓力波動時,如圖24,激波位置發生波動.均方根結果清晰地顯示出了振蕩激波的波動位置和強度.圖中黑點位置為Kulite 傳感器測壓孔,PSP 測量結果與Kulite 傳感器測量結果基本一致,顯示Fast PSP 技術在測量非定常流動方面的能力.

圖23 無周期性壓力擾動時PSP 時均和脈動圖譜[147]Fig.23 Average and RMS PSP images without shock oscillation[147]

圖24 有周期性壓力擾動時PSP 時均和脈動圖譜[147]Fig.24 Average and RMS PSP images with shock oscillation[147]

目前對于氣動不穩定性的研究中,激波對葉片顫振特性影響的試驗研究仍然較少.這樣的試驗測量結果可以對顫振的機理研究提供更深層次見解,也有助于驗證現有的用于顫振預測的模型和方法.另一方面,當前研究重點關注葉片對于氣流的非定常響應和氣動彈性問題,數值模擬也多采用單向流固耦合的方法.事實上,當周圍流場有周期性壓力波動或固壁振動時,也將進一步造成葉柵內流場的非定常性.

4 總結和展望

4.1 總結

本文綜述了近年來平面葉柵氣動試驗的研究現狀及葉柵流場測試技術的發展,并回顧了當前平面葉柵試驗研究的相關科學問題.總結如下.

(1)平面葉柵試驗裝置進展

組織好試驗段的氣流是平面葉柵試驗的最基本的要求.葉柵試驗的重要準則是能夠模擬無限葉柵流動條件,這就要求保證試驗段氣流的進口均勻性和出口周期性.先前研究者對葉柵試驗段流場品質的提高措施可以概括為以下四個方面:①對柵前整流部件做出改進;②對葉柵進氣段、試驗段來流邊界層抽吸;③對葉柵試驗段端壁輪廓線進行優化;④葉柵出口段采用可調尾板及可調端壁等.

(2)平面葉柵試驗測試技術進展

區別于之前的單點、接觸式及穩態測量技術,基于“場”的非接觸、動態測試技術在跨/超音葉柵氣動試驗研究中逐漸得到應用.平面葉柵氣動試驗的測試區域為柵前、柵后、葉片表面和葉柵通道內部.柵前、柵后流場的測試可用于評估流場入流品質和驗證葉片氣動性能;葉片表面參數和葉柵通道流場空間參數的測試是研究葉柵流場流動機理的思路和途徑,從表面參數到空間參數的映射也反映出了多種復雜流動的分離、再附和渦波干涉等非定常特征.柵前柵后流場測量常采用傳統的接觸式測試技術;對于葉片表面參數和葉柵通道空間參數的測量,近年來發展了非接觸式的光學測試技術.如PSP、液晶、紅外熱成像、PIV 等.油流技術可以反映葉片表面邊界層特征,但只能進行穩態和定性研究.表面熱膜技術可測量葉片壁面的剪切應力研究流動分離、再附和轉捩等邊界層狀態變化過程,實現定量的測量.

(3)平面葉柵試驗研究內容進展

如圖25 所示,可壓縮性和黏性是影響平面葉柵流場的兩個重要的因素,分別用于衡量可壓縮性和黏性的馬赫數和雷諾數是兩個非常重要的無量綱準則數.同時,葉柵流場也應該考慮波、渦等非定常性.在跨/超音平面葉柵流場中,激波、邊界層、二次流等各種復雜流動相互作用,造成流動損失.跨超音速葉柵的激波與邊界層干擾導致的邊界層分離往往是造成葉柵流動損失急劇增加的主要因素.通過先進的葉柵試驗和測試技術,揭示葉柵內復雜流動機理,探索減小氣動損失的方法,已成為平面葉柵試驗研究的重要內容.

圖25 平面葉柵氣動試驗研究思路和途徑Fig.25 Research approaches of aerodynamic experiment on linear cascade

4.2 展望

(1)平面葉柵試驗段的流場品質提升措施

葉柵試驗的周期性研究和流場品質的提升措施需繼續開展.單一整流方法往往效果不佳,需要多種整流方法交互作用.對于跨/超音渦輪葉柵來說,由于尾緣處存在激波,激波在尾板上的反射可能進一步造成流場中的壓力波動.因此葉柵雙層尾板且內層尾板開孔可調是一種較新的控制措施.如何既能使用較少的葉片數又能保證流場質量是近年來葉柵周期性研究的問題之一,單通道的葉柵風洞試驗件(臺)逐漸發展并得到應用,但單通道試驗方案有以下劣勢:葉片攻角不易調節;周期性的檢驗只能依賴于一個節距上的參數測量結果;需精細化設計試驗段進出口及尾板的形狀.

(2)葉柵復雜流動機理研究

復雜流動現象的基礎機理研究仍需進一步引起重視.盡管目前試驗測試技術的發展大大促進了人們對亞音速葉柵流場流動機理的認知.但跨/超音速葉柵流場更加復雜且存在激波,多種流動相互作用造成流場的空間不均勻性和時間上的非定常性.激波與邊界層相互干擾導致嚴重的氣動損失,但其深層次作用機理尚不明確,如激波作用下邊界層的轉捩與分離形式;邊界層分離對激波腿/反射激波的干涉效應,激波進一步對尾跡和二次渦流的影響等.圖26 簡單梳理了葉柵流場中可能存在的流動現象及相互作用機制.事實上,真實的葉柵流場遠比下圖更加復雜.每一種流動現象必有其他作用相互干擾,共同造成流場的“混亂”和非定常性.此外,對于基礎流動機理的研究,除了要以無量綱準則為指導,以激波、多渦、湍流微小結構等為深入點,更要著重于這些復雜流動現象的動力學本質及基礎.如壓力梯度作用下的邊界層、端壁旋渦、尾跡的產生及非定常發展過程中的渦量輸運和熵產.理清上述問題,才能對流動控制的研究提供理論基礎和指導.

圖26 平面葉柵氣動試驗中的復雜流動Fig.26 Complex flow phenomena of aerodynamic experiment on linear cascade

(3)葉柵流場測試技術研究

葉柵流場的測試技術仍需不斷發展.常規的接觸式測量方案盡管精度較高,可操作性強,但難免對流場產生干擾且難以實現“面”測量.如何在葉柵試驗中采用高精度、高頻響的微型動態壓力傳感器進行壁面陣列,從而獲得壁面靜壓的分布和非定常演化,需要重點考慮.在這方面的測試方案上,北京航空航天大學的馬宏偉團隊做出了較多的研究[28-29,89,142-143].

此外,動態多孔氣動探針實現葉柵通道不同位置處的非定常測量也較少被研究.氣動探針對流場的影響不可忽略,特別是跨/超音速葉柵流場中,探針的堵塞效應較大,因此如何建立探針的堵塞模型,修正測試結果甚至采用何種措施減小/彌補探針對流場的影響是接觸式測量中一個亟需解決的問題.

在非接觸式測量方案上,光學測試技術表現出較好的應用前景.超跨音葉柵試驗應充分利用光學測試手段.PIV 在葉柵流場速度測試中具有重要的應用.但光路布置是影響PIV 測試精度和準確性的一大問題.尤其是渦輪葉片彎角較大,遮擋PIV 測量葉柵三維流場,發展內窺或者新型透明試驗件材料或是解決此類問題的突破方向.單通道的葉柵試驗提供了解決此類問題的另一個思路和辦法,但仍需對單通道流場的周期性進行細致檢驗.對于跨/超音速葉柵流場的光學測量,還要考慮高速高溫的測試環境對相機等測試裝置的影響.此外,葉片表面的反光會使近壁區流場信息丟失甚至產生偽矢量,熒光粒子法或葉片表面涂抹熒光漆的方法將在葉柵通道的PIV 測量中展現出一定的應用前景.

(4)葉柵流場測試區域及分析方法研究

葉柵流場測試區域受限,且分析方法需要進一步完善.葉片表面參數和葉柵通道流場空間參數的測量是葉柵流場試驗的主要測試內容.常規的測試區域受限于傳感器的安置、光學布置困難等因素,多集中于葉片中間葉高及尾緣附近,而端壁及間隙處的測試相對較少.端壁二次流和間隙處激波與泄漏流(渦)的交互作用研究需進一步開展.在間隙處開展紋影試驗同步油流顯示是研究此類問題的一個思路和方向.在流動分析方法上,除了要進一步考慮使用多種復雜流動摻混/干涉效應的模型構建法、葉柵二次流的旋渦識別法、描繪端壁旋渦結構的拓撲分析法,也要加強對葉柵流場非定常模態分析方法的研究.如采用本征正交分解方法(POD)、標準動態模態分解方法(DMD)、譜本征正交分解方法(SPOD)等方法,對非定常測試數據實現降維,從而得到影響流場發展的主導模態.

(5)激波作用下的流固耦合研究

跨/超音速葉柵流場同時存在激波和旋渦兩種基本結構與運動形式.激波作用于邊界層上,導致大量氣動損失.在激波與邊界層相互干擾的作用研究上,雖然有大量的數值模擬結果表面激波和邊界層相互作用對葉片顫振和流場不穩定性具有重要作用,但迄今為止,還沒有足夠的試驗結果說明激波/邊界層相互作用對振動葉片上整個表面上非定常壓力分布的作用機制和內部耦合機理,葉片顫振不穩定的流動機理尚存在諸多問題.因此在跨音速平面葉柵試驗臺上開展振動葉片情況下非定常壓力分布的測量對于研究和預測葉輪機械的氣動不穩定性是非常重要的,在今后的跨/超音葉柵中應當繼續引起重視.激波對于葉柵端壁二次流的影響和激波與旋渦的相互影響機理仍不明確,激波與旋渦的相互作用應當成為今后超/跨音速葉柵分析中需要關注的重點.在跨/超音速情況下開展葉頂間隙流動的機理研究和控制方法驗證,因其極強的工程應用背景、復雜的流動機理、相對較為容易的光路布置方案和光學測試環境,在后續研究中仍需關注.