平面扩压叶栅流场PIV与三孔尾迹探针对比测试研究

2014-03-29马昌友侯敏杰凌代军幸晓龙

实验流体力学 2014年2期

马昌友, 侯敏杰, 凌代军, 幸晓龙

(中国航空工业集团公司中国燃气涡轮研究院, 四川江油 621703)

0 引言

平面叶栅风洞在叶栅性能基础研究中占据了极为重要的地位，因此，对叶栅流场的准确测量是至关重要的。目前通常采用三孔或五孔尾迹测压探针对叶栅流场性能进行测试[1]，其特点是只能进行单点测量，对流场影响大，无法对叶片间槽道流场进行测量，测量时间长、效率低, 并且得到的是平均意义下的气流参数。当叶栅发生较严重的气流分离时，栅后尾迹区的气流角变化较大，并且存在气流旋涡，真实气流方向与探针轴线夹角远远大于探针校准角度，超出了探针应用范围，这时测得的值准确度降低，往往不能正确地反映实际流动[2]。

近年来，非接触式瞬态流场测速技术PIV (Particle Image Velocimetry)，克服了接触式单点测量设备的局限性,可以无干扰地获得叶栅槽道瞬时速度场、涡量场等, 已成为研究叶栅流场的一种先进测试手段[3-4]。国内外在叶栅流场PIV测试技术研究方面已取得了卓著的成绩[5-10]，但由于PIV 技术比较复杂，影响测试结果因素比较多，如示踪粒子的选取与播撒[11-12]、激光片光与CCD的布局等，都会影响所测流场的准确性，国内在高速风洞中开展的PIV应用研究较少。

作者基于暂冲式平面叶栅风洞，利用2D-PIV系统对某亚声速扩压叶栅流场进行了测量，以解决示踪粒子撒播、PIV光路布局及标定等技术问题，并对零迎角不同进口马赫数状态下的叶栅中截面槽道及尾迹速度场分布进行分析研究。为验证PIV测试结果的准确性，还利用三孔尾迹探针的测试结果和数值计算结果对2D-PIV在叶栅流场测试结果的可靠性进行验证。

1 实验设置

本实验在中国燃气涡轮研究院暂冲式超、跨声速平面叶栅风洞试验器上进行[13]。叶型为某亚声速扩压叶型，弦长B=65mm，栅距T=49.1mm，安装角γ=60.65°，设计进口气流角β1=45.7°，设计进口马赫数M1=0.66。图1为叶栅试验件实物图，与常规叶栅设计相比，该叶栅在设计允许的条件下，增大栅距，以便减小由于叶片弯曲带来的光路遮挡；叶栅一侧栅板材料为透明的航空有机玻璃，兼作CCD拍照视窗；叶栅另一侧栅板为普通钢栅板，以便在叶栅内部形成暗室，降低PIV测量时背景光的影响。

图1 叶栅试验件实物图

实验所使用的粒子图像测速系统从德国LaVision公司引进。该系统是由双脉冲激光器、CCD、同步控制器、图像采集和装有Davis分析软件的计算机组成。激光器为双谐振脉冲式Nd：YAG激光器，工作频率为15Hz，单脉冲最大能量360mJ，激光波长为532nm，通过激光臂，可以方便地将激光打入到叶栅槽道中。CCD相机缓存为512MB，像素1600×1200，拍摄面积85mm×64mm。相机支架可对CCD在3个方向上进行精确旋转，再配合三维位移机构，可全方位控制CCD的方向和位置。试验时，Davis软件通过同步器控制激光打光和CCD拍照,并进行图像处理，获得叶栅流道速度场分布。

为了验证PIV试验数据的准确性，采用三孔楔形尾迹探针对叶栅性能进行了常规测量。三孔楔形尾迹探针安装在位移机构上，可以控制尾迹探针沿栅距方向移动。

2 实验方案

2.1示踪粒子投放

粒子发生器选用德国Lavision公司的Laskin PIV Part40压力雾化式粒子发生器，需使用高压气源供气，最大允许进、出口压差可达0.6MPa。示踪剂采用Lavision公司研制的癸二酸(2-乙基已基)酯(简称为DEHS)，该示踪粒子适用于风洞、叶轮机械、发动机内流等流场，粒子平均半径为1μm左右，优点是无毒，稳定性好，可以在不同的情况下存留几个小时保持尺寸形状不变。文献[6]利用PIV开展涡轮叶片尾缘喷气研究中使用了该示踪粒子，使用效果良好。

考虑到试验器是暂冲式的，来自气源站的高压空气需经过净化器、干燥器和储气罐后，送至试验段，故示踪粒子不能直接从气源站的压缩机进口吸入，而是在试验段上游管道中注入，如图2所示。粒子发生器所需的高压气源来自于气源站储气系统。试验前,来自气源站的压缩空气先为储气系统供气充压至0.6MPa，将小储气罐通过闸阀与大储气罐断开；试验时小储气罐独立作为粒子发生器的气源，大储气罐作为叶栅主流气源；当小储气罐压力较低时，将闸阀打开，与大储气罐连通，气源站即可为小储气罐再次打压至0.6MPa。示踪粒子流通过安装在试验器上游的调压阀与稳压箱之间的撒播器投放到主流中。调压阀后主流管道的压力一般在200kPa以内，足够的压差使得示踪粒子流可以压入主流中。另外，撒播器距离试验段约8m，中间经扩压器、蜂窝整流器、丝网整流器，确保示踪粒子在被主流输送到试验段前与主流充分混合均匀。

图2 供气流程图

2.2光路布置与标定

图3为试验时激光片光与CCD的布局方案。试验采用从叶栅下游即试验段出口处逆向打光，为减小叶栅出口气流对光学部件的冲击力，打光方向适当避开气流方向，并确保激光片光与待测截面重合。由于采用单CCD对叶栅中截面槽道及其下游尾迹速度场进行二维速度场测量，因此要求CCD拍照方向与激光片光严格垂直。

图3 激光片光与CCD布局方案

试验前首先对测试区域进行标定。由于视窗为有机玻璃栅板，对粒子成像的畸变影响较小，加之叶栅通道不便于放置标定靶，因此直接将标有刻度的校准尺置于观测区域获取图像，如图4所示，用于标定CCD像素与实际测量范围的换算关系，从而可实现对流场结构定量测量和标定。

3 数值模拟方法简介

在进行PIV测量结果与三孔楔形尾迹探针测量结果对比之前，首先进行PIV测量结果与数值模拟结果对比分析，以考察PIV测量结果的可靠性。作者采用全三维粘性流场数值模拟的手段，计算获得了该叶栅在相应状态下的流场信息。计算使用商用NUMECA软件的FINE/Turbo模块，采用时间推进法求解三维雷诺平均的N-S(RANS)方程，采用二阶精度的中心差分格式进行空间离散，时间项采用四阶Runge-Kutta法迭代求解，湍流模型为一方程的S-A(Spalart- Allmaras)模型。计算采用多重网格法，结合当地时间步长及隐式残差光顺等加速收敛技术。计算域的网格划分，采用了结构化网格的HOH型网格，计算的总网格量约30万，壁面处理采用了绝热无滑移条件。

图4 二维叶栅流场PIV标定方法

4 结果分析

4.1叶栅流场周期性

为保证试验数据准确可靠，PIV测试前需在叶栅进、出口建立周期性流场。图5绘出了进口气流角为β1=45.7°时，叶栅进口马赫数分别为M1=0.5、0.66、0.73和0.8时栅前马赫数沿额线方向3个栅距的分布。由图可见，栅前进口马赫数沿栅距分布周期性是比较好的。在出口流场方面，图6绘出了栅后测量截面两个栅距的尾迹总压恢复系数分布图，也说明试验流场周期性是比较好的。基于此，本文只对一个栅距的叶栅流场进行了PIV测量。另外通过图6定性地比较和分析尾迹区宽度、深度等表征叶栅损失大小的特征，可以发现，随着进口马赫数的提高，叶栅损失呈现快速上升的趋势。

图5 叶栅进口速度沿额线分布

图6 叶栅出口尾迹参数分布

4.2叶栅全流场PIV测量与数值计算结果对比

图7给出了在设计进口气流角β1=45.7°，进口马赫数M1分别为0.6和0.73状态下，利用PIV系统采集并经粒子图像计算得到的叶栅流场的瞬态速度矢量图。PIV图像分析查问域(Interrogating Window)为64pixel×64pixel，成像系数为0.05333，合3.4mm×3.4mm，重叠率为50%。由图7可见，气流在叶背处先加速至最大值后逐渐减速增压。从图中可以看到叶片尾缘处的速度值较小，该处为叶栅尾迹区，但由于本文关注叶栅槽道及尾迹流场的全域测量，未能获得尾迹区的细微结构。由于叶片的存在，使得靠近叶片表面区域没有速度向量。主要因素有片光被弯曲的叶片遮挡、CCD被叶片端截面遮挡、叶片附近的粒子反光不规律或粒子浓度过低，这些因素不可能根本消除，只能尽可能减轻近壁面问题的影响。计算中通过创建遮罩Mask方法来屏蔽该区域。

图8给出了在设计进口气流角β1=45.7°，进口马赫数M1分别为0.6和0.73状态下，通过CFD数值模拟得到叶栅流场的速度矢量图。对比PIV测量结果和CFD数值模拟结果可以看出，PIV测得的叶栅中截面二维速度矢量场合理地反映了叶片槽道及尾迹的流动结构。从PIV试验和CFD计算结果可以看出，在设计迎角下，叶背没有发生气流分离。PIV捕捉到了叶栅尾迹，从图中可以看到叶片尾缘处的速度向量较小。但由于本文关注叶栅槽道及尾迹流场的全域测量，未能捕捉到尾迹区的细微结构。

另外，从图7可以看出，图中局部小区域的速度矢量与图8相应位置存在较大差异，主要集中在叶背，这是因为该位置处的叶栅栅板受到液体示踪剂的污染，并不断聚集，导致该区域的粒子图像没能合理反映出叶栅中截面的流动结构。因此今后开展叶栅流场测量，特别是在较高马赫数或大迎角下，需要考虑壁面污染对测量的影响。

(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叶栅出口流场PIV与尾迹探针测量结果对比

由于尾迹探针测量得到的是稳态定常数据，而PIV测得的为瞬态数据。为了进行尾迹探针和PIV测量结果对比， PIV在同一状态进行了30次速度场数据采集，对30组瞬态速度场数据进行了平均，从而得到时均意义下稳态速度场。

图9为进口马赫数为0.60和0.73时采用PIV和尾迹探针测得的叶栅出口距离尾缘45%T位置处气流速度W2沿一个栅距的分布。从图中可以看出，PIV和尾迹探针两者测得的出口气流速度沿栅距分布规律非常接近，并且相同位置的速度值差异较小。图10则为相应的叶栅出口气流角β2沿一个栅距的分布。从图中可以看出，PIV和尾迹探针两者测得的出口气流角沿栅距分布规律在主流区比较一致，但在尾迹区差异略大。

图9 叶栅出口速度沿栅距分布

对图9和10中尾迹探针和PIV测得的叶栅出口速度值和气流角分别在一个栅距内做算术平均，即可得到叶栅出口远场的气流速度和方向。图11和12分别绘出了叶栅出口速度值和气流角随进口马赫数的变化趋势。由图11可见，从尾迹探针和PIV获得的叶栅远场出口气流速度随着进口马赫数的提高均呈现线性增大趋势，并且两种测量手段获得的速度值差别较小。由图12可见，叶栅在设计进口马赫数以下工作时，从尾迹探针和PIV获得的叶栅远场出口气流角均不随进口马赫数发生明显的变化，并且两者测得值也较接近；当叶栅在设计进口马赫数以上工作时，此时叶栅进口马赫数超过临界马赫数，甚至接近最大马赫数(此时叶栅堵塞)，叶片边界层分离严重，导致叶栅出口气流角随着进口马赫数继续升高呈现明显下降的趋势，此时尾迹探针和PIV获得的叶栅远场出口气流角误差较大。

图10 叶栅出口气流角沿栅距分布

图11 叶栅出口速度随进口马赫数的变化趋势

图12 叶栅出口气流角随进口马赫数的变化趋势

5 误差分析

从试验结果对比分析来看，PIV与三孔楔形探针对平面扩压叶栅流场测量结果基本吻合，但仍存在误差，特别是叶栅出口气流角的测量误差较大。经分析，产生的误差主要存在如下两个方面:

一是尾迹区的气流方向沿额线变化较大，而PIV图像处理时查问域设置过大，导致未能捕捉到尾迹区的细微结构。由于进口马赫数较大时，叶栅流场的速度变化范围变大，若将查问域设置过小，会导致叶背处速度较大区域没有有效的粒子对。如只对叶栅出口尾迹区进行PIV测量，试验时选取合适的两束激光时间差Δt，图像处理时采用较小的查问域，便可提高对尾迹区流场细微结构的捕捉能力。

二是三孔楔形探针的方向特性线较差，特别是在尾迹区真实气流方向与探针安装方向偏角大于探针校准偏角时，用探针数据外插所得到的出口气流角偏差较大，从而进一步加大与PIV测量结果的差异。这一点也显示出了PIV在叶栅尾迹测量比三孔楔形尾迹探针更有优势。

6 结论

基于暂冲式叶栅风洞，采用数字PIV技术，并配合粒子投放和光路布置技术，对某扩压叶型叶栅槽道及尾迹成功地进行了可视化测量。试验结果对比分析表明：采用的PIV可以应用于叶栅流场的精确测量。

PIV与三孔楔形尾迹探针在叶栅出口尾迹的测量所获得的气流速度和主流区的出口气流角重合性较好；尾迹分离区的出口气流角重合性略差，主要原因是在变化较大的尾迹区气流偏角超出了三孔尾迹探针校准范围，恰好凸出了PIV技术优势。但对于跨声速叶栅流场，叶栅槽道及尾迹区流场速度变化较大，建议采用分块开展PIV测量，后期采用拼接处理，可提高对尾迹区等流场细微结构的捕捉能力。本文提出的PIV测量技术也可用于连续式叶栅风洞中。

参考文献:

[1]李钢, 聂超群, 朱俊强, 等. 介质阻挡放电等离子体对压气机叶栅性能影响的实验[J]. 航空动力学报, 2008, 23(3): 522-526.

Li Gang, Nie Chaoqun, Zhu Junqiang, et al. Experimental investigations of the effect of dielectric barrier discharge plasma on performance of compressor cascade[J]. Journal of Aerospace Power, 2008, 23(3): 522-526.

[2]陈武, 侯安平, 郑新前, 等. 在大分离区内使用三孔探针测试的探索[J]. 流体力学实验与测量, 2003, 17(3): 84-87,92.

Chen Wu, Hou Anping, Zheng Xinqian, et al. Research of test by three-hole pressure probe in large-separated zone[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 2003, 17(3): 84-87, 92.

[3]李志平, 李秋实, 袁巍, 等. 叶轮机转子叶排非定常旋涡脱落频谱特性研究新方法[J]. 实验流体力学, 2006, (02): 7-11.

Li Zhiping, Li Qiushi, Yuan Wei, et al. A new method for studying the unsteady vortex frequency characteristics on rotor blades of turbine engine[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2006, (02): 7-11.

[4]梁华, 李应红, 宋慧敏, 等. 等离子体气动激励诱导空气流动的PIV研究[J]. 实验流体力学, 2011, 25(04): 22-25,36.

Liang Hua, Li Yinghong, Song Huimin, et al. PIV investigation on flow induced by plasma aerodynamic actuation[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2011, 25(04): 22-25,36.

[5]Jordi Estevadeordal, Matthew D Langford, et al. PIV investigation of the flow field in a transonic compressor cascade with a moving shock wave[R]. AIAA 2007-506433, 2007.

[6]Chase Nessler, Christopher Marks. PIV investigation of periodic unsteady wakes over a highly loaded LPT blade[R]. AIAA 2009-5107, 2009.

[7]刘波, 项效镕, 南向谊, 等. 附面层抽吸对叶栅表面分离流动控制的实验研究[J]. 推进技术, 2009, 30(6)：703-708.

Liu Bo, Xiang Xiaorong, Nan Xiangyi, et al. Experimental investigation for suppression boundary layer separation on cascade surface by BLS[J]. Journal of Propulsion Technology, 2009, 30(6)：703-708.

[8]孙卫亮, 宋彦萍, 谷君, 等. 大迎角平面压气机叶栅内的PIV 应用[J]. 节能技术, 2006, 24(4): 291-293.

Sun Weiliang, Song Yanpin, Gu Jun, et al. Application of PIV in planar compressor cascade with large positive attack angle[J]. Energy Conservation Technology, 2006, 24(4): 291-293.

[9]戴静君, 姜义忠, 董守平. PIV技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用[J]. 流体力学实验与测量, 2003, (04): 68-70,83.

Dai Jingjun, Jiang Yizhong, Dong Shouping. The application of particle image velocimetry to fluid experimentation in a turbine cascade[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 2003, (04): 68-70,83.

[10] Freund Oliver, Rehder Hans-juergen, Schaefer Philipp, et al. Experimental investigations on cooling air ejection at a straight turbine cascade using PIV and QIS[R]. ASME GT2011-45296.

[11] 荣臻, 陈方, 刘洪, 等. 超声速PIV示踪粒子布撒技术研究[J]. 实验流体力学, 2012, (02): 64-67,85.

Rong Zhen, Chen Fang, Liu Hong, et al. Research on seeding technique of PIV in supersonic flow[J]. Journal of Experiments in Fliud Mechanics, 2012, (02): 64-67,85.

[12] 陈莹, 邓学蓥, 王延奎, 等. 低速风洞PIV实验中的示踪粒子投放技术[J]. 实验流体力学, 2007, 21(02): 78-81.

Chen Ying, Deng Xueying, Wang Yankui, et al. Testing technique of PIV in low-speed wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2007, 21(02): 78-81.

[13] 凌代军, 姜正礼, 仲永兴. 平面叶栅非定常流动试验方法研究[J]. 燃气涡轮试验与研究, 2006, 19(3): 24-29,36.

Ling Daijun, Jiang Zhengli, Zhong Yongxing. Experimental procedure study on unsteady flow in plane cascade[J]. Gas Turbine Experiment and Research, 2006, 19(3): 24-29,36.

作者简介: