反推裝置葉柵外流場PIV測試

于忠強，李慶林，盛超，高超，叢長震

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

反推力裝置是民用和軍用大涵道比渦扇發(fā)動機的重要組成部分，其主要功能是通過改變發(fā)動機排氣流動方向來獲得反向推力，使飛機高效可靠地減速，顯著縮短飛機的著陸滑跑距離，達到剎車的效果。實現(xiàn)反推力的傳統(tǒng)方法主要是機械式，包括抓斗式、葉柵式和折流板式等。目前，幾乎所有先進的大型飛機都采用發(fā)動機反推力裝置來減速，其中，葉柵式反推器應(yīng)用較廣。雖然這種反推裝置會增加質(zhì)量和發(fā)動機設(shè)計復雜性，但還是以其獨有的集成度高、可靠性高、對不同的發(fā)動機工況適應(yīng)性強等優(yōu)點，在國外得到了較廣泛的應(yīng)用。Trapp等通過CFD方法對反推力裝置葉柵結(jié)構(gòu)等進行了評估，得到了優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。相對于國外比較成熟的研究現(xiàn)狀，中國近年來也開始注重葉柵式反推力裝置的設(shè)計及試驗研究工作。

粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry，PIV）技術(shù)是一種非接觸無干擾的空間流場定量測量手段，是從20世紀80年代以來在流動顯示的基礎(chǔ)上，充分吸收現(xiàn)代計算機技術(shù)、光學技術(shù)以及圖像分析技術(shù)的研究成果發(fā)展起來的新一代流動測速技術(shù)。目前PIV測速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實際工程中對氣體、液體流場進行測量。

隨著PIV技術(shù)的發(fā)展，越來越多的國內(nèi)外學者將該技術(shù)應(yīng)用于葉柵流場測試。Post等利用PIV技術(shù)對靜止渦輪葉柵流場進行了研究；Suder測量了NASA37孤立轉(zhuǎn)子流場，研究了級環(huán)境下激波、間隙流等的相互影響；馬昌友等在暫沖式風洞中對高亞聲速平面葉柵采用PIV技術(shù)獲取了葉片槽道及出口尾跡流場；馬超等研究了動葉葉柵旋轉(zhuǎn)下的內(nèi)流場，獲得了速度場和渦量場。但目前PIV技術(shù)在葉柵流場測試中的應(yīng)用多以管路或風洞內(nèi)部為主，而對反推力裝置葉柵出口外流場測試的公開報道很少。

本文以反推力裝置縮比模型試驗件作為研究對象，采用PIV測試技術(shù)對反推力裝置葉柵出口外流場開展了不同進口落壓比下的測試試驗。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 試驗設(shè)備

反推力裝置葉柵外流場試驗在反推力裝置試驗器上開展。該試驗器最大供氣流量為60 kg/s，最高內(nèi)涵供氣溫度為850 K，采用六分力測力臺架。支持正向排氣和反向排氣，正向排氣直接進入排氣筒，反向排氣直接排入試驗間，通過導流裝置將氣流導向廠房頂部排氣塔排入大氣。反推力裝置試驗器工作流程如圖1所示，詳細技術(shù)指標見文獻[18]。

圖1 反推力裝置試驗器工作流程

1.2 試驗件

試驗件根據(jù)相似準則采用1∶3縮比模型，結(jié)構(gòu)如圖2所示。試驗件分為2個涵道，內(nèi)涵氣流通過尾噴管軸向直排，外涵氣流通過反推葉柵與軸成一定角度反向沿圓周排出。在試驗過程中通過控制試驗件入口落壓比（總壓與環(huán)境之比）來調(diào)整試驗狀態(tài)，外流場測試試驗僅向外涵單獨供氣。

圖2 反推力裝置葉柵外流場試驗件結(jié)構(gòu)

2 PIV測試系統(tǒng)

2.1 測試系統(tǒng)組成及原理

PIV系統(tǒng)的組成主要有光源系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、同步控制器、控制及采集軟件、計算機，如圖3所示。

圖3 PIV系統(tǒng)的組成

試驗中采用美國TSI公司開發(fā)的PIV系統(tǒng)及相應(yīng)軟件INSIGHT 4G進行圖像采集及數(shù)據(jù)處理。PIV系統(tǒng)的工作原理是在流體中散播微細顆粒標記物，將反映標記物運動的圖像記錄下來，通過圖像處理和分析得到標記物在時間間隔Δ內(nèi)的位移，從而得到流場速度。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

速度矢量的計算要靠圖像處理系統(tǒng)來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。PIV原始圖像被細分為許多正方形詢問區(qū)，采用互相關(guān)算法計算每一詢問區(qū)的速度矢量。數(shù)據(jù)后處理運算主要進行速度場光滑處理，校正錯誤匹配的影響。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程

3 外流場測試試驗方案

3.1 防護裝置

PIV測試系統(tǒng)應(yīng)用于管道內(nèi)流場測量已日趨成熟，并且得到廣泛應(yīng)用；但針對于本試驗外流場測試仍存在一定難點。試驗件氣流經(jīng)由外涵葉柵出口直接排入周圍環(huán)境中，出口氣流存在較強氣動沖擊，還會帶來試驗現(xiàn)場振動。氣流的沖擊和現(xiàn)場的振動對于光學測試系統(tǒng)硬件是不可接受的，PIV系統(tǒng)也不例外，將導致測試硬件損壞或者無法采集到有效圖像。

在試驗方案中為解決氣流沖擊問題，根據(jù)試驗件的結(jié)構(gòu)特點對激光器及相機的布置位置進行針對性設(shè)計，如圖5所示。在試驗件葉柵截面的正下方放置CCD相機；試驗件葉柵為左右對稱布置，在正上和正下2個位置無葉柵，因此該位置氣流沖擊相對較弱；激光器布置在試驗件的左后方，斜向45°發(fā)出激光片光照射待測流場區(qū)域。氣流經(jīng)葉柵斜向前方排出，該區(qū)域氣流沖擊較弱。

圖5 激光器及相機布置

雖然對相機和激光器測試位置進行了設(shè)計，但氣流沖擊和現(xiàn)場振動仍無法全面消除。為徹底解決氣流沖擊和現(xiàn)場振動，設(shè)計相機及激光器防護裝置。防護裝置采用不銹鋼獨立盒式結(jié)構(gòu)，將相機及激光器分別固定在其中，有效防止氣流沖擊，起到保護作用。在光學原件與盒式結(jié)構(gòu)接觸固定位置采用隔振橡膠對二者進行隔離，有效防止現(xiàn)場振動對相機及激光器造成影響。根據(jù)光學測試的特殊性，在盒式結(jié)構(gòu)處留有光學窗口以便激光片光射出，相機鏡頭可以接收入射光。為實現(xiàn)測試系統(tǒng)的調(diào)整及標定，防護裝置可在內(nèi)部相機，片光源在垂直、水平、俯仰等多維度調(diào)整。

3.2 校準與修正

2維PIV測試系統(tǒng)通常采用相機軸線與測試平面垂直的方式布置，可以有效避免粒子位移量測試產(chǎn)生誤差。在試驗中為解決氣流沖擊問題，將相機軸線與測試面成一定角度布置，如果采用普通標定方式會帶來一定誤差。為此，采用軟件中off-axis標定方法，配合專用標定板標定，可以消除相機感光板與測試面不平行帶來的測試誤差。

3.3 示蹤粒子

PIV測試需要撒播作為流動示蹤的光散射粒子，該粒子既要能精確跟蹤與表征流動速度，又要有良好的散射特性并有足夠的信噪比。根據(jù)劉劍等的研究結(jié)果，選用0.3μm氧化鈦固體粒子作為示蹤粒子，在滿足跟隨性的前提下，具有更好的散射特性，能夠提高信噪比。采用流化床固體粒子發(fā)生器，配合壓縮空氣源播撒粒子，通過高精度調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)壓縮空氣量，進而實現(xiàn)粒子播撒量的調(diào)節(jié)和控制。

3.4 遠程控制及防護

試驗過程現(xiàn)場噪聲超過120 dB，測試人員無法在試驗現(xiàn)場工作，但是計算機與相機及其它光學設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸及控制導線長度有限，無法實現(xiàn)遠距離控制及采集。為應(yīng)對現(xiàn)場噪聲，同時解決計算機、同步器等設(shè)備免受氣流沖擊及示蹤粒子粉塵污染，增加遠程控制及防護系統(tǒng)，對計算機、同步器等進行封裝，并通過網(wǎng)絡(luò)在遠端進行PIV測試系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)高噪聲環(huán)境下的外流場測試。

4 試驗結(jié)果分析

在試驗過程中在試驗件入口進行了總壓、總溫、空氣流量等測量。采用PIV方法對試驗件順航向左側(cè)葉柵出口水平面進行測試，在外涵進口落壓比為1.1、氣流溫度為18.5℃時，對應(yīng)的流場測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可見，氣流從葉柵排出后沿葉柵型面方向繼續(xù)向前流動，無漩渦產(chǎn)生，氣流徑直排出，高速氣流對附近空氣產(chǎn)生一定引射帶動作用。從圖6（a）中可見，氣流從葉柵出口排出后核心為高速氣流區(qū)，向兩端逐漸減少，在葉柵出口外的其它區(qū)域氣流流速極低。核心氣流最大流速約為110 m/s，主流氣流速度約為80 m/s。

圖6 落壓比為1.1時的速度場

在外涵進口落壓比為1.2、進口溫度為50℃時，對順航向左側(cè)葉柵出口水平面氣流速度流場測試結(jié)果如圖7所示。從圖中可見，氣流從葉柵排出后，核心氣流沿葉柵型面原方向徑直排出，未發(fā)生方向改變或出現(xiàn)漩渦，周圍空氣在主流引射作用下向主氣流流動。從圖7（a）中可見，在該狀態(tài)下核心氣流速度約為170 m/s，分布在排氣氣流的中間，隨著氣流向核心氣流外及兩端推移速度呈降低趨勢，主流的氣流速度約為120 m/s。與落壓比為1.1時相比，在該狀態(tài)下核心氣流范圍增大，分析認為隨著落壓比的增大，空氣氣流速度提高，周圍空氣與葉柵出口氣流相互的擾動作用比重減弱，所以氣流內(nèi)部場中高速區(qū)范圍增大。

圖7 落壓比為1.2時的速度場

采用Fluent軟件對葉柵出口流場進行數(shù)值模擬，在進口落壓比為1.2時，截取測試截面位置處數(shù)值模擬速度云圖，如圖8所示。從圖中可見，排氣氣流核心區(qū)域速度較高，約為165 m/s，隨著氣流向外流動及向兩端推移速度呈降低趨勢，主流的氣流速度約為120 m/s。與PIV測試系統(tǒng)得到的試驗結(jié)果吻合良好，在氣流核心區(qū)域及主流區(qū)域，數(shù)值模擬與PIV測試速度最大相對誤差約為3.5%。

圖8 落壓比1.2模擬速度場

反推力裝置葉柵出口外流場數(shù)據(jù)的成功獲取說明了試驗方案的合理性。防護裝置對于內(nèi)部光學設(shè)備起到了保護作用，能夠在保證設(shè)備正常穩(wěn)定使用的前提下，很好地隔絕氣流沖擊，消除現(xiàn)場振動。

試驗中使用成熟商用PIV測試系統(tǒng)，設(shè)計防護系統(tǒng)、遠程控制等裝置，結(jié)合合理的試驗方案，實現(xiàn)了工程環(huán)境中的外流場測試，得到真實可靠的流場測試數(shù)據(jù)。克服光學測試自身在工程測試中的缺點和不足，發(fā)揮出其高時間分辨率、高空間分辨率、流場無擾動等諸多優(yōu)點，實現(xiàn)新型高效測試技術(shù)與傳統(tǒng)工程試驗的有機融合。

5 結(jié)論

（1）氣流從葉柵出口排出后沿葉柵型面方向繼續(xù)向前流動，未發(fā)生方向偏移；

（2）進口落壓比增大，葉柵出口氣流速度提高，高速區(qū)拓寬，流場形式無明顯變化；

（3）激光器及CCD相機防護裝置在試驗過程中能夠?qū)崿F(xiàn)阻隔氣流沖擊、消除現(xiàn)場振動的作用，并兼顧光學測試儀器微調(diào)整功能。

PIV測試技術(shù)結(jié)合防護、減振、遠程控制等措施，成功應(yīng)用于工程外流場測試，并獲得了較為理想的測試結(jié)果。