PIV技术在3通道扩压器试验中的应用

赵 鹏，张玉光，张宝华

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引言

扩压器是燃烧室的重要部件之一，近年来随着高推重比航空发动机的研制，高效的燃烧室扩压器技术备受关注。随着燃烧室进口马赫数的不断提高，燃烧组织方式的改变，头部进气量的增大，对扩压器设计提出了新的要求[1-2]。3通道扩压器可以看作是短突扩压器的发展，前置扩压段内设有2个分流楔板是其主要结构特征。该类型扩压器不仅缩短了结构长度，减小了突扩损失，而且可有效减少前置扩压器的流动分离，目前GP7200、GEnx及F136发动机燃烧室均已采用3通道扩压器。但国内对此研究甚少[3-5]。

近年来，非接触式瞬态流场测试（Particle Image Velocimetry，PIV）技术已大量应用于燃烧室内冷态流场试验以及热态燃烧试验之中，不同于常规试验测量中所使用的总压探针、总温探针和壁面静压等手段，该技术有效解决了常规试验中单点测量以及探针对流场的干扰问题，尤其在新型扩压器及燃烧室的试验探究中起到了至关重要的作用。早期Fishenden和Steven研究了突扩扩压器在较大范围内的性能参数，分析了前置扩压器几何形状的影响[6]；A.Panduranga Reddy等利用PIV技术研究了突扩燃烧室内的流场特性，针对旋流的特性对不同区域流场进行分析[7]；李昊等利用PIV技术对2种不同突扩比燃烧室的冷态流场进行试验分析，研究表明突扩比的改变对燃烧室突扩面后的流场结构影响很小[8]；Prakash等研究了不同的燃烧室形状对扩压器性能的影响，试验获得了扩压器壁面静压[9]；赵坚行、何小民等论述了扩压器数值模拟的方法，并测量了扩压器的压力特性[10-11]。

目前，国外已经将PIV技术大量应用于扩压器及燃烧室内流场分析中，得到各类扩压器的性能数据，但国内较少针对3通道扩压器等先进扩压器开展PIV技术的试验研究。本文基于3通道扩压器的2元试验件，利用PIV技术开展扩压器内冷态流场试验，观察并记录每个状态点扩压器内流场详细信息。

1 试验件及测试装置

1.1 试验试件

该2元多通道扩压器试验试件主要由前置扩压器和火焰筒头部帽罩模型2部分组成，而前置扩压器由扩压器通道与分流楔板组成，如图1所示，图中入口、间隙、内部、中部和外部尺寸分别由Le、Lc、Li、Lm、Lo表示。根据国内外研究资料以及前期大量的计算工作，最终确定3种前置扩压器方案和4种头部帽罩方案，本文通过PIV技术研究不同前置扩压器与头部帽罩组合下的流场特性，优选出最佳组合方案。前置扩压器依据出口高度的不同分为前置扩压器A、B、C，而头部帽罩依据突扩间隙的不同分为头部帽罩A、B、C、D，以上7种部件的关键尺寸与扩压器入口尺寸的比值见表1。试验试件上设置光学通路和相机采集观察窗，可对图 1 中“Lc”区域（即前置扩压器出口）进行2维流场测量。此外，在扩压器试验件的进、出口处安装必要的压力采集接口，用来监视试验状态与分析PIV结果。

图1 2元3通道扩压器结构剖面

表1 不同部件关键尺寸参数

1.2 PIV系统

PIV技术是在流场显示基础上利用不断高速发展的计算机图像处理技术对流场显示进行定量化测量，从而实现对流场的瞬态测量。PIV技术在本质上是图像分析技术的1种，采用时间间隔很短的2个脉冲光源照亮所需要测量的流场，利用CCD将所照明的流场中的示踪介质记录下来，利用计算机进行图像处理得到速度场的信息[12-13]。

本文采用的PIV系统是TSI公司的最新图像处理技术、CCD技术以及PowerView技术，其主要由照明光源、图像采集以及数据后处理等系统组成，结构如图2所示。照明光源系统包括1台双脉冲YAG激光器、片光光学元件、光束调节镜组与同步控制器，图像采集系统最小祯间隔约为800 ns，频率可达15 fps，其分辨率为2048×2048 pixel，可保证在所有模式下的灰度都为12位，运行模式有Free Run/Triggered Exposure/Frame Straddle 3种可供选择。后处理系统主要由INSIGHT-NT分析软件与TECPLOT数据可视化软件组成，该系统有自相关、互相关、空间分辨率超细化分析、可适性算法与高速显示等诸多算法，支持并行处理，支持基于Intel和Alpha处理器的工作站。要增加查问域额的测量精度时，该系统有4种办法来增强相关的峰值：利用软件包内的图像处理程序提高图像质量；灵活地增加查问域的尺寸，或对各矢量自动调整以优化空间分辨率和测量精度；查问域可以为正方形或长方形以补偿高速度梯度；图像象素可以为正方形或长方形，以适应不同的CCD。

图2 PIV系统结构

2 试验方案

2.1 试验设备

试验在中国航发沈阳发动机研究所试验器上进行。试验器能力如下：设计空气压力为4.0 MPa，空气温度为20～600℃，空气流量为0.1～12 kg/s。设备原理如图3所示。试验设备由进排气系统、冷却水系统、PIV系统、电气及控制等系统组成。试验时对试验件进、出口的压力、温度与空气流量数据进行采集。

图3 试验设备原理

2.2 示踪粒子投放

示踪粒子的投放是PIV过程中的重要步骤，粒子的浓度和均匀度起着决定性作用。浓度太高会影响流场，浓度太低又会降低测量的信噪比，无法获得有效速度场；示踪粒子的均匀性比较难控制，在本试验中试验件为多通道扩压器，该特殊结构会使流场产生多处回流区，且壁面处会产生较大的速度梯度，同样会给图像采集带来困难[14-15]。

基于以上论述，本文设计了1种流化床式粒子释放器，气体从该发生器底部进入，使示踪粒子流化，再通过顶部的孔口排入管道，结构如图4所示。通过控制粒子释放器的压力来调整粒子释放浓度，并在每个试验状态的间歇加大试验件进气量，以便吹扫滞留在试验件壁面的示踪粒子。

图4 PIV粒子释放器结构

2.3 PIV试验误差分析

本次试验进行测量不确定度分析。根据PIV的测速原理，流场速度测量公式为

式中：α为放大比例；ΔX为像素位移；Δt为时间间隔；δμ为3维速度所引起的测量误差。

不确定度分析见表2、3。表中μ（Xi）为标准不确定度；ci为灵敏度系数；μc为合成不确定度。计算合成不确定度主要依据标准不确定度与灵敏度系数的乘积来计算，首先根据误差源确定μ（Xi）值，再将标准不确定度与灵敏度系数相乘并合成得到初始μc，通过的结果合成最终的误差。具体取测试区域为150×40 mm2，相同流速为50 m/s，参考点距离为40 mm，参考图像距离为498 pixel，放大系数α=0.0803 mm/pixel，时间间隔Δt=0.01 ms，目标点距离为 500 mm，ΔX=16 pixel。依据以上数据在试验设备手册中对误差系数进行选取。

2.4 试验项目

为了满足未来先进结构扩压器对试验技术的需求，在常规流阻、流量分配试验的基础上，将非接触测试技术有针对性地应用于扩压器内流场分析，以得到扩压器特性试验参数，并拓展扩压器试验技术，形成整套技术标准流程。

表2 不确定度分析1

表3 不确定度分析2

针对前置扩压器在同一马赫数、不同流量分配下的流场特性，设计了几种工况记为A组试验，见表4。对于头部帽罩，研究其在不同马赫数下流场的特性，同样设计了几种工况记为B组试验，见表5。应用PIV技术，观察并记录每个状态点扩压器内流场详细信息，包括速度的大小和方向、气流分离、漩涡等特征，经过Insight软件处理，得到流场云图。

表4 A组试验状态

表5 B组试验状态

3 试验结果及分析

选取头部帽罩A作为基准结构，分别对前置扩压器A、B、C在同一进口马赫数、不同出口流量分配下，采集流场信息，结果如图5～7所示。每幅图中从左到右4个流场云图分别对应表4中序号1～4的出口流量分配比例状态。

图5 前置扩压器A在不同出口流量分配比例下的2维流场

图6 前置扩压器B在不同出口流量分配比例下的2维流场

图7 前置扩压器C在不同出口流量分配比例下的2维流场

对比这3个前置扩压器出口流场云图发现，中心射流的速度明显要高于内、外环射流速度，外环射流速度最小，且扩压器B、C的前置扩压器内、外环出口流速明显高于扩压器A的，另外扩压器C的外环出现了射流较早附着帽罩的情况。在2股射流之间，存在明显的回流区，对比回流区流场发现，扩压器B的上、下2个回流区速度不一致，下部回流区速度比上部回流区的约高10 m/s，而扩压器C的出口回流区宽度较为不统一，下部回流区比上部回流区约宽9 mm，前置扩压器A表现出了明显优势。

以前置扩压器A为基准，得到不同头部帽罩在不同进口马赫数下的流场，如图8～10所示，每幅图中从左到右流场云图依次对应表5中试验序号1～5。

图8 头部帽罩B在不同Ma下的2维流场

图9 头部帽罩C在不同Ma下的2维流场

图10 头部帽罩D在不同Ma下的2维流场

从图中可见，头部帽罩D中前置扩压器出口气流速度高于其他试验件的，而头部帽罩C、D中射流之间的回流区宽度不均，提高了射流附着情况发生的概率。对比头部帽罩A、B在进口马赫数为0.290、3个出口气流分配比例分别为0.290、0.365和0.345条件下的结果，发现其流场特性较为接近，而头部帽罩A的回流区流速更为均匀，表现出稍好的性能。

从PIV测试结果中可见，无论在哪种组合形式下，流场的结构并没有发生较大改变，流场呈3股射流形态分布，且在2股射流之间存在明显的回流区。总进气量及Ma保持不变，出口空气量比例的改变并没有对流场速度有太大影响。随着进气量及Ma的增大，流场速度有明显的提高。通过PIV技术得到的试验结果同时也验证了传统压力场的测试结果，前置扩压器A与头部帽罩A表现出了稍好的性能。

在流阻性能试验中，前置扩压器A与头部帽罩A在相同马赫数下的压力损失要低于其他型号的，如图11、12所示，进一步证明了PIV试验数据的可靠性。

图11 不同头部帽罩总压损失随Ma2变化对比

图12 不同前置扩压器总压损失随Ma2变化对比

4 结束语

通过对PIV技术与扩压器试验技术的探究，得到了关键参数对扩压器内流场特性的影响，并对比了不同扩压器的性能特征，得到了优选后的3通道扩压器结构参数，当Lm/Le=0.7、Li/Le=Lo/Le=0.6、Lc/Le=1.82 时扩压器性能最佳，并在接触式测试方法与数值分析方法上得到了验证。试验结果表明，PIV技术在先进扩压器流场测试方面是直观且可靠的，可以为扩压器最终结构优化与设计定型提供依据；本文将PIV技术应用于先进扩压器的试验研究，形成了成熟可靠的扩压器试验技术手段，可为国内扩压器性能试验方法标准的制定提供依据。

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