平面叶栅气动试验研究进展与展望1)

张庆典 马宏伟 , 杨 益 肖安琪

* (北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京 102206)

† (北京航空航天大学航空发动机研究院,北京 102206)

引言

平面叶栅由多个几何形状相同的叶片按照一定的安装角和稠度排列而成.通过调整叶栅风洞试验段的进出口条件(马赫数、进出口静压比、进气攻角等)来模拟叶片基元的气动性能.平面叶栅的理论和试验研究在压气机和涡轮的研制和发展过程中起过重要的作用.以平面叶栅试验结果为依据而设计的亚声速压气机和涡轮叶片是非常成功的.

平面叶栅气动试验主要用于验证二维叶型的气动性能.相比于压气机和涡轮级的试验,叶栅试验具有方便可控、易于测试的优势,因此也被逐渐用于研究叶栅通道内二次流动、揭示通道内复杂流动现象本质和规律、研究不同的流动控制技术、探索减小叶栅内的流动损失等.

研制高性能的航空发动机需要设计高性能的压气机和涡轮.叶片通道内、特别是叶尖区域会出现跨音速乃至超音速流动,在部分高压涡轮级中,还存在上游静叶尾缘附近激波与下游转子的相互干涉.相比于亚音速叶栅流场,超跨音叶栅流场流动结构更加复杂,各种流动与激波的干涉效应更加强烈,具有强三维性.

目前通过数值模拟开展研究叶轮机内超跨音流场中存在的激波与边界层干扰、边界层分离、主流与尾迹、主流与二次流的相互掺混等复杂流动现象,其计算方法、计算模型、计算精度还有待进一步提高,比如,研究波涡干涉现象,波涡干涉会改变湍流和涡的微小结构,使能够预测简单流动的计算模型在波涡干涉区计算精度降低,需要试验进一步验证、提高计算准确性.

平面叶栅气动试验,由于没有叶片旋转,相比叶轮机部件试验是简单易行的重要方法,可以帮助探索叶片端区复杂流动、研究叶栅气动性能和验证先进的数值模拟方法.这就要求发展高品质的叶栅试验装置、高精度的测试方法和流场可视化技术.

本文综述了近年来平面叶栅气动试验相关的研究与进展,包括平面叶栅试验装置、流场测试方法和流场可视化技术、平面叶栅气动试验研究的科学问题及研究进展,期望为开展相关研究提供参考.

1 平面叶栅试验装置与流场质量评价方法

1.1 平面叶栅试验装置的发展

平面叶栅风洞一般也是由气源、扩压段、稳流段、收缩段、试验段等部分所组成.与普通风洞相比,最大的差别在于试验段的构成上.受试验件几何形状的影响,叶栅风洞的试验段截面多为矩形且宽度固定.此外,叶栅风洞的试验段一般还具有用于调节进气气流角的旋转圆盘或导流叶片、用于保证进气均匀的边界层抽吸系统、用于保证出口气流周期性的尾板等.图1 所示为德国慕尼黑联邦国防军大学的平面叶栅风洞试验段的示意图[1],相比于其他叶栅风洞,叶栅进口处还具有用于模拟尾迹效应的尾迹发生器.同时,装置整体位于一个可调压力的储罐中,能够实现马赫数和雷诺数的独立调节.

图1 平面叶栅试验段示意图[1]Fig.1 Schematic of linear cascade[1]

组织好试验段的气流是平面叶栅试验的最基本的要求.这要求栅前来流的方向、速度、压力均匀且稳定;被测通道和相邻通道之间具有较好的周期性;栅后出口气流表现出较好的扰流特性.栅前来流品质主要通过对栅前整流部件进行合理的设计来实现;试验段需要减弱或消除侧壁来流边界层对中间叶片的影响,使流场能模拟无限叶栅时的情况,通常采用增加叶片数目、优化侧壁形状、边界层抽吸等方法;栅后通过尾板来避免出口侧壁附近气流受外界大气干扰和混合的影响.表1 列举了近年来部分对试验段流场品质的研究及其研究结果,这些研究工作有利地推动了平面叶栅试验装置的发展,对叶栅流场品质的提高措施具有一定参考价值.

表1 试验段流场品质研究Table 1 Investigation on flow field quality in test section

1.2 平面叶栅流场质量的评价指标和方法

平面叶栅风洞两侧的叶片在来流侧壁边界层的影响下,绕流情况明显偏离实际叶轮时的情况,进而影响到中间叶片处的流场.同时叶栅的叶顶和叶根位置处受来流边界层与叶片表面边界层的相互作用产生了二次流,进一步造成了主流的收缩.其结果是对亚音压气机叶栅起到减少扩压,对亚音涡轮叶栅起到加速收敛的作用.为了得到准确的试验结果,在采取如上节所述的整流措施后,依然需要对试验段的流场质量进行评价.对于低亚音速涡轮叶栅,通常只需要检测栅前来流的均匀性与栅后流场的周期性.来流的均匀度一般通过栅前的一排壁面静压孔测得的静压衡量,同时栅前来流的均匀度也可由沿节距方向的轴向速度的极差值来表示,即

其中Cax为轴向速度,y为周向距离,一般认为该值小于0.01,进口气流均匀性较好.

流场的周期性没有明确的评价指标,通常需要借助一些可测量的流动参数进行判断,如栅前、栅后壁面静压分布,通过气动探针测量多个节距、或通过栅后端壁的一排静压孔、或流道中间2～3 个叶片的叶表压力的比较来衡量.此外,各叶片通道纹影图像、叶片表面压力分布、叶片尾迹测量参数、叶片表面油流图谱等也可作为流场周期性的考量[25].Zhang 等[22]在试验段出口布置一个可沿节距方向作往复运动的三孔探针,从而验证出口流动周期性.Woodason 等[19]先后使用三种方法对平面叶栅的流动质量进行评估,首先在叶栅通道的入口和出口处沿节距方向布置壁面静压测量点进行壁面静压的测量;其次在中间叶片上涂抹上石蜡油和石墨粉的混合物进行表面的流场可视化显示;最后利用纹影仪进行流场显示,进一步检验气流周期性.

当存在激波时,栅板及侧壁处的边界层与激波的相互作用不仅导致额外的流动损失,同时气流发生偏转,产生流场远离无限叶栅的流动情况.因此对于跨/超音速叶栅,需考虑栅前来流受端壁与侧壁边界层的影响.可通过计算叶片中间叶高处实际进气角与名义进气角差的绝对值,作为衡量栅前来流方向的偏斜度的指标,公式如下

其中β1为实际进气角,为名义进气角.当偏斜度大于0.5°时,说明边界层对主流影响较大,需要考虑调整叶片的相对高度、增加叶片数目、采用缝隙或多孔壁等办法来吸除侧壁的边界层.

同时,跨音速叶栅进出口速度和密度变化较大,轴向密流比(AVDR)被用于评价和衡量叶栅的二维特性,其定义为

式中分子代表中间叶高的叶栅出口位置处的密度与轴向速度的乘积的积分,分母代表中间叶高的叶栅进口位置处的密度与轴向速度的乘积的积分.理论上平面叶栅试验的AVDR在1 左右,通过向叶栅通道内抽吸气,可以使AVDR保持在0.95～1.15 之间.值得注意的是,在用于研究二次流结构的平面叶栅气动试验上,一般检查叶栅周期性的指标,而对叶片中间叶高处的二维性的关注较少.

除以上评判措施外,还可用热线测量进口湍流度,用附面层探针测量进口与出口端壁处的附面层厚度等方法,来检查叶栅试验段的流场品质[26-27].

2 平面叶栅气动试验的测试技术发展

2.1 叶片表面压力场的测量方法

叶片表面压力分布直接反映出叶片的负荷,同时也用于研究流动的分离与再附、激波/边界层、旋涡/边界层的干涉效应.叶片表面压力测量的接触式测量手段通过在叶栅中间相邻的两个叶片上布置静压测孔阵列,然后安装稳、动态压力传感器来实现[28].其中一个叶片的测压孔开在叶背表面,另一个叶片的测压孔开在叶盆表面,这两个相邻叶片的吸力面和压力面组成一个待测试的叶栅通道.马宏伟等对叶栅静压阵列测试方案进行了详细描述[29].但受限于开孔数目,接触式测量方式测点数目较少.且在叶片表面开孔难免会破坏叶片型面,从而对流场造成干扰.近年来基于光致发光和氧淬灭原理的压敏漆测量技术(PSP)以其较好的面测量优势在平面叶栅试验中逐步得到应用.

压敏漆测压是一种对当地气流无干扰的非接触式测量方法,同时具有空间分辨率高、响应速度快等特点,可应用于马赫数较高的超跨超音叶栅试验的叶片表面压力测量.文献[30-31]开展了高超音速环境下PSP 测试技术验证研究,试验马赫数达到5,得到的表面压力分布云图较好地反映了试验件表面的激波、激波/边界层干扰和角涡等特征.研究内容对高超声速PSP 测试的涂料制备、涂布、性能校准和稳态测试等起到借鉴作用.文献[32-33]分别验证了PSP 对亚音速叶栅的稳态压力测量性能,将PSP 测量结果与安装静压孔的稳态压力扫描阀的测试结果对比,误差均在6.5%范围内,显示了PSP 在内流测试领域特别是叶栅表面静压测量上的潜力.曹传军[34]研究了微型涡轮叶栅流场的低雷诺数效应和间隙泄漏流的掺混效应,不同间隙大小下的PSP 静压结果显示了泄漏涡的涡核位置移动及涡耗散区域的变化.在非定常测量研究上,Crafton等[35]基于快速响应PSP 测量结果研究了弓形激波随时间不断变化、振荡过程.张雪等[36]试验模拟了高速叶栅中的周期非定常流动.图2 时均场的压力阶跃反映了激波在叶片上的位置.当进气角减小,攻角增加,激波位置向叶片前缘移动.图2 脉动场显示表面压力非定常分布,可明显看出流场的被激励影响区域及耗散方式等非定常特征.

图2 叶片吸力面压力的时均和脉动分布结果[36]Fig.2 Mean and RMS PSP field images of blade’s suction surface[36]

由于PSP 激发的荧光光强与PSP 涂层表面的氧分压成反比,因此也可用 PSP 得到的氧分压来计算叶栅的气膜冷却效率[16,37-38].Jeong 等[39]考虑了冷却气体性质对冷却效率的影响,分别通入不同的冷却空气,测量PSP 发出的荧光亮度.冷却效率η由测得的荧光光强直接换算求得.此试验方案设计巧妙,排除了相机的背景噪声信号干扰,实现了叶栅气膜冷却效率的精准测量.

图3 总结了利用PSP 进行叶栅表面测压的流程和方法.试验前将压敏漆均匀涂布在试验件上,做到涂层光洁、厚度一致、黏合力强,不至于被叶栅来流剥落.其次,合理地选择光源和布置光路系统.激发光要与PSP 发出的荧光波长不同而能被识别和互相分离,考虑到叶栅试验的气动环境和PSP 性能,常选用二亚胺钌配合物(Ru(bpy)3)作为探针分子,该分子在靛蓝色光波段(420 nm～475 nm)被激发,发出橙色波段(610 nm)的荧光,且在该波段具有较好的荧光强度和氧淬灭敏感性,激发光源选用对应的蓝色LED 光.在光路布置上,要求激发光能尽量均匀地照射在叶栅待测表面.试验时,在叶栅风洞一侧设置光学窗口,从光源发出的激发光经过聚光镜和滤光器后照射在叶片涂层,使叶片表面的PSP 探针分子产生荧光散射,散射的荧光通过滤光器和聚光镜后被CCD 相机收集并数字化处理,之后数字信号被计算机进一步处理并输出不同时刻的图像信息,将测试记录数据与事先标定的压力数据对照比较,即可得到叶片表面的压力分布云图.

图3 叶栅表面压力分布的PSP 测量方案Fig.3 Flow chart for surface pressure measurement of blade by PSP

近年来,适用于叶栅气动试验的PSP 测试方案不断发展.在设备布置上,考虑到涡轮叶片表面曲率较大,可采用两台或多台LED 灯激发单一PSP 涂层[40].同时,也可使用多套PSP 采集系统同步拍摄(如图4 所示),将各个结果拼接后得到叶片全表面的压力数据[41].在算法处理研究上,Gao 等[42]使用透视校正算法来校正由于相机角度倾斜造成的结果误差.高丽敏等[43]开发了PSP 的三维空间图像重构程序,对叶片表面压力分布进行了测量.在光路布置上,针对叶栅台光学窗口受限的情况,在涂层与试验件之间嵌入薄层电致发光器件[44]或有机电致发光器件[45-46],实现发光涂层与照明装置的集成,消除了PSP 测量时对激发光源的要求.彭迪等[47]研究了基于长余辉材料的压敏涂层测量法,试验时不需要提供光源照射,一定程度上解决了光学窗口受限的问题.针对无法开设光学窗口的条件,彭迪等[48]提出一种基于内窥镜的测量方案,如图5 所示,将内窥镜的探头深入叶栅内部,激发光由光纤传导通过探头照射到涂有PSP 的叶片表面,再将PSP 产生的荧光图像传递到CCD 相机上,实现对难以开设光学窗口的叶片表面的压力的测量.PSP 通过测量荧光强度的变化来确定叶片表面压力分布,作为一种较为成熟的表面压力测量方法,适用于低速到跨/超音速叶栅的稳态流动[49].然而对于普通PSP 涂层来说,响应时间大多为1 s,测量动态压力较为困难.PSP响应时间取决于气体通过涂层的扩散率,近年来发展的快速响应压敏漆测量技术(fast PSP)以多孔的高气体扩散性材料作为黏合剂,使探针分子能直接和氧分子接触发生氧淬灭反应,因此响应速度高达1 ms 以内,其中更是以阳极氧化铝压敏漆(AAPSP)响应时间可达到34.8 μs[50],适用于非定常流和声学的研究.Gregory 等[51]综述了Fast PSP 的性能及其在空气动力学和声学研究中的应用.由于本文重点关注PSP 技术在平面叶栅试验上的应用,因此不对Fast PSP 的配方、制备原理、动态响应机制、频率响应校准方法进行介绍,详见文献[52-54].PSP 显现出对叶栅叶片表面压力分布稳动态测量的潜力,适用于叶栅气动实验中激波/边界层干扰机理的研究、叶栅气动激振非定常研究,也可用于叶栅气膜冷却的研究.

图4 表面全覆盖测量[41]Fig.4 Full-blade coverage measurement[41]

图5 内窥镜测试方案[48]Fig.5 Full-field endoscopic measurement[48]

2.2 叶片表面温度场的测量方法

在研究激波边界层的干扰、流动的分离转捩和超跨音流动的传热问题中,需要测量叶片表面温度的分布.传统试验方法通过在叶片上布置多个独立分布的传感器,通过测点数据进行差分进而获得整个表面的温度分布.同样受限于叶片和传感器的尺寸,叶片上一般能独立布置的传感器数量有限,特别是需要得到叶顶尾缘处的瞬态温度变化时,使用传感器进行单点测量并不现实.而基于热图成像的光学测量技术则可以充分发挥其面测量的优势,与单点传感器测温技术相比,具有空间分辨率高、反应速度快、无源无信号、操作方便、可重复使用等特点,近年来在叶栅的瞬态测温、对流换热系数测量和边界层转捩判断中获得应用.

液晶测温是一种新兴的非接触式面测温技术,在显色温度的范围内,液晶随温度的变化反射不同波长的单色光.因此可通过色调图求得液晶感受的温度.瞬态液晶热图最早可用于观察叶栅表面的边界层转捩现象,在同一雷诺数工况下,湍流边界层的温度比层流边界层的温度要高,因此可用于确定转捩开始的时间和位置.而后该项技术被应用于跨音速和超音速平面叶栅传热试验中去[55-56].

图6 为液晶测温的一般流程,其中液晶的喷涂和成膜工艺最为关键,直接关系到测量结果的好坏.进行液晶试验的叶片多选用低导热系数的非金属材料,或者在金属叶片表面嵌套低导热系数的非金属外壳,保证表面具有良好的绝热性能.同时考虑到试验件需要具有良好的显色特性,即在一定的光照条件下,液晶随温度变化所显示的颜色鲜艳程度、饱和程度和对比度要好,因此液晶的衬底材料多为黑色.综合以上两点及叶栅试验段的气动性能要求,叶片衬底多由喷砂处理的黑色有机玻璃或喷涂黑漆的PC 等非金属材料制成.除了液晶的喷涂和成膜外,光源的安装位置和光路布置方式也较为重要.光源的安装位置需要考虑是否布置在叶栅试验段内.合理的光路布置应使叶片表面光照均匀、无阴影,同时需要考虑是否采用偏光镜,以消除其他杂光的反射干扰.文献[57-59]研究了平面叶栅光路布置和摄影视角对液晶校准误差的影响.Owen 等[60]的研究进一步表明,当光源的倾斜角度为30°时,传热系数的测量误差增大到3%左右.在进行传热试验时,还需要知道初始传热时刻到第一张热图开始采集的时间间隔.为了明确初始传热时刻,可以先将叶栅放置在风洞驻室中,待流场稳定后再放入试验段内,以防止风洞启动时紊乱的流场对测量结果造成影响.

图6 叶片表面温度分布的液晶测温方案Fig.6 Flow chart for surface temperature distribution of cascade blade by liquid crystal

红外热成像法基于被测物体分子本身的热运动所产生的红外辐射测量物体表面的温度.相比于热电偶、热电阻测量技术,也具有响应快、精度高、无流场干扰、测温范围广等优点;其热图成像方法与瞬态液晶热图技术相比,光路简单,操作也更为方便.Zhang 等[22]在高速跨音涡轮叶栅试验台上利用瞬态红外热成像技术研究了叶片表面努塞尔数分布,发现多数跨音叶片叶顶都存在着超音速流动,甚至可以达到1.8 倍马赫数左右.O'Dowd 等[61]对当前红外热成像法测量技术的叶栅试验进行了不确定度分析和鉴定.图7 为试验装置示意图,在壁面上开设硒化锌光学窗口,为红外相机提供测量叶片尖端表面温度的光学通道.叶尖由导热率非常低的环氧树脂制成.热电偶放置在叶尖表面,为红外相机图像的校准提供实时数据.在校准过程中,排除其他物体的辐射反射、表面发射率变化和硒化锌窗口透过率对红外相机的影响,获得热图标度值和表面热电偶的温度读数之间的线性关系.文献[62-63]采用高分辨率动态红外热成像技术,研究了环形叶栅上游槽的形状和位置对端壁气膜冷却性能的影响,试验件由导热系数极低的光敏树脂通过3D 打印制作而成,为了进一步避免端壁内的热传导,还在其中填充了聚氨酯泡沫.

图7 红外热成像法测量试验装置[61]Fig.7 The schematic of the test section and instrumentation with infrared thermography[61]

图8 总结了瞬态红外测温的一般流程.由于金属表面的热扩散太快,会使红外辐射信号被淹没,因此试验件材料常采用热积值稳定的非金属材料.考虑跨音速风洞试验对于强度和刚度的要求,也可以使用在局部上嵌套有酚醛胶木等非金属材料的金属试验件.同时,为了提高表面的辐射率,表面还需要涂布黑色无光涂料.在光学玻璃的选择上,由于普通的光学玻璃能透过可见光,在红外CCD 的灵敏波段却并不适用,因此需要选用专门的红外透光玻璃.红外透光玻璃是热成像光路系统的重要组成部分,常采用硒化锌、氟化镁等材料.前者透射光波范围较广,被广泛应用于风洞试验中,但表面反射率太高,因此在使用时需镀消反射膜;后者在波段范围内具有较好的透射率,无需镀消反射膜,但透射光波范围相对较窄,且材料折射率低.选用蓝宝石(Al2O3)制成的红外玻璃表面坚硬,在整个透射光波范围内都具有非常高的透射率,且导热性高、冷却方便,适用于跨音速和超音速叶栅测试环境.试验时试验件发出的红外辐射透过红外玻璃,经光谱滤波后被CCD 相机收集,CCD 相机将辐射信号转化为电信号,经数据处理转化成视频信号,最后显示出对外辐射的热图,通过预先标定过的标定曲线即可获得瞬态温度的分布云图.

图8 红外热成像法测温流程Fig.8 Flow chart for infrared thermograph measurement

2.3 叶栅内流速度场的测量方法

随着激光技术和计算机图像处理技术的迅速发展,基于光学成像的PIV 技术能够实现对流场空间速度的实时、瞬态测量.相比于热线测速、激光多普勒测速等一些单点测速技术具有的局限性,PIV可以实现整个面的高分辨率测量,因此适用于叶栅流场中湍流、尾迹、旋涡等流动的测量研究.目前平面叶栅的PIV 试验研究依旧存在以下问题.

光路布置是影响测量精度和准确性的最重要因素.二维PIV 可用于测量沿叶片展向不同位置截面处的速度分布,三维PIV 则用于测量叶栅通道内沿弦长不同位置截面处的速度分布.图9 为北京航空航天大学的施磊等[64]使用三维PIV 研究叶栅通道流场的光路布置.片光源从叶栅背部打到叶片通道中.其方向垂直于叶片吸力面和叶片型线.两个相机分别位于叶栅的两侧,捕捉示踪粒子的散射光,进而获得了涡核的迁移过程.

图9 叶栅试验的SPIV 光路布置[64]Fig.9 SPIV setup of cascade experiment[64]

其次,二次流的测量较为困难.二次流是叶栅通道中与主流方向不一致的流动,是流动损失的主要来源.常规的二维PIV 一般要求片光源与主流的流线平行.而叶栅中二次流的二维PIV 测量需要片光源与主流垂直布置,以尽可能避免主流对二次流测量的干扰.Wang 等[65]探讨了用激光偏移方法测量涡轮叶栅的二次流的可行性:采用双脉冲激光器,调制激光光路,使两个脉冲片光不重叠,并使第二个片光沿主流方向偏移一段距离,如同片光源在两次脉冲期间随主流运动,从而消除主流方向的位移对二次流测量的影响.文献[66-67]等采用了另外一种方法测量二次流.基于雷诺数相似的准则在封闭的水槽中开展PIV 试验.主流流速较低,从而保证在测量二次流时,示踪粒子依旧在片光源厚度之内.试验采用空心玻璃珠作为示踪粒子.测量平面1～15 如图10 所示.其中当对3～6 平面的速度场进行测量时,为了确保CCD 相机与片光源保持垂直,在图10 (e)所示的三角形透明腔体内中填充水/甘油混合物,以减少图像采集过程中的反射.试验对二次流测量取得较好的效果,其测量方法和光路布置方案可被借鉴.但值得一提的是,在水洞/槽中进行涡轮叶栅的试验,尽管可以基于雷诺数相似的准则降低主流流速,但由于水的物性,无法模拟空气可压缩性对流场影响的研究.

图10 叶栅通道的二维PIV 测量平面布局[66]Fig.10 Layout of 2 D-PIV measured planes in cascade[66]

叶片壁面反光导致边壁附近流场信息损失,而叶栅端壁附近速度场的测量对于端壁二次流的研究较为重要.目前可见的措施有表面哑光黑漆处理、涂布镜面涂料、使用荧光材料的示踪粒子等.Pu 等[66]将叶片表面包括整个端壁都用哑光光泽涂料涂黑,反光情况减弱.在强脉冲激光照射下,表面黑色涂层会被烧蚀.Hecklau 等[68]在叶片表面涂有一层高反射胶带,使照射到叶片上的激光能直接反射回来,壁面反光情况大大减弱.近几年来针对PIV 专用荧光示踪粒子/涂料逐步发展并有望在叶栅测量中得到应用.将荧光材料与示踪材料联合制备荧光示踪粒子,粒子接收激光产生波长更长的荧光.同时在相机镜头前安装滤光片可以避免从物体表面散射的强光射入相机中.Krause 等[69]在研究离心泵的旋转失速时使用了这种办法,示踪粒子采用掺有罗丹明B 的三聚氰胺树脂.罗丹明B 被Nd:YAG 发出的激光激发并产生波长介于550～610 nm 之间的荧光.试验时在PIV 相机镜头前安装截止波长为590 nm 的长通滤波器.该方法尽管有效,但在经过长时间激光照射后,涂层也被破坏.Chennaoui 等[70]使用制备荧光示踪剂,并对金属的涡轮叶片壁面周围的流场进行测试.未使用荧光示踪剂时,叶片表面的反光影响了粒子成像和壁面附近的速度测量,同时也使互相关算法产生随机分布的伪矢量.当使用制备的荧光示踪粒子时,如图11 所示,片光源照射的叶片下表面清晰可见.蓝色荧光在图像中产生高对比度粒子.此外,可以将专用PIV 荧光漆均匀涂抹到叶片表面和端壁上,进一步削弱壁面的反光效应,但这些方法均存在三个问题,一是荧光漆涂抹厚度不均匀,可能会改变叶片的型面;二是荧光漆在高速流场中受较大的冲击可能容易脱落,荧光涂料与金属材料表面的相合性也值得考虑;三是在强激光的持续照射下,荧光漆也会被逐渐烧蚀而变性,这就要求在做试验中要迅速,避免长时间采集.除此之外,涂料的毒性、安全性和保存性均存在问题,这都限制了荧光涂料在叶栅PIV 试验中的应用.

图11 采用荧光示踪法的PIV 粒子图像和互相关结果[70]Fig.11 Fluorescence particle image and cross correlation results[70]

2.4 叶片表面流场可视化技术

油流法是一种简单方便又直观有效的表面流场显示技术.常规油流试验的示踪粒子多采用单一颜色的钛白粉、氧化镁或石墨粉等.Tian 等[71]验证了油流条纹与壁面剪切力的方向保持一致,油流轨迹线实际上显示了气流绕叶片表面的摩擦力线.Woodason 等[19]采用液态石蜡油和石墨粉的混合物,石墨粉的作用是限制石蜡油在还未被吹风时的流动.将掺混着石墨粉的石蜡油在叶栅叶片的吸力面上画等间隔的虚线,对比吹风后的叶片表面迹线可对叶栅二维流场品质进行检查.此外,还将该混合石蜡油涂抹在叶片的吸力面上,以吹风后叶片表面石蜡油的积累厚度来确定壁面上是否发生流动分离,研究跨/超音速流动时激波与壁面边界层的相互作用.文献[72]利用油和二氧化钛的混合物对叶顶间隙流动进行可视化研究.在叶顶上涂抹白色的油流斑点,对比吹风后结果显示间隙泄漏流在叶顶不同位置的流动痕迹,靠近前缘的叶顶吸力侧,油流斑点模糊连成一片,表明此处受到较大的气流冲击作用;在靠近尾缘的吸力面附近一些油流斑点是完好无损并且依旧较湿,表明该区域没有受到气流的冲击作用,是局部分离区.

跨/超音速叶栅叶片表面存在多种复杂流动且相互干扰,发生掺混效应.此时单一颜色的油流不能满足试验要求,彩色油流显示技术被发展而来.在叶片表面不同位置涂上不同颜色的油流,吹风后可得到不同位置的彩色油流图谱,研究流动的相互干扰.彩色油流多以钛白粉作为示踪粒子,以汽车机油或仪表油作为载体,加入不同颜色的溶油性涂料,同时加入一定量的油酸来调节涂料的黏性.Lepicovsky[73]采用彩色油流技术研究跨音速流场中叶栅稠度对流场的影响,试验前彩色圆点由细铜丝沾上不同颜色的油流涂料形成,尽量保持圆点直径在2～3 mm 范围内,图12 表明叶栅稠度较低时,存在较多大规模的分离区域.文献[74]通过彩色油流技术研究了加装单侧肋条时压力侧叶顶附近的冷却液进出叶顶间隙的流动路径,图13 显示了跨音速工况下在吸力面叶顶尖区附近存在的大规模流动分离和二次流现象.

图12 叶栅稠度对叶片影响的油流可视化试验[73]Fig.12 Effects of cascade solidity for inlet flow conditions[73]

图13 叶顶加装单侧肋条的油流可视化试验图[74]Fig.13 Oil flow visualization of partial squealer[74]

综上所述,油流法操作简单,关键点在于油流涂料的选择和配比.油流涂料由示踪粒子、油剂组成,通常加一定程度的油酸来调节黏度.制备好的油流涂料需要进行涂料配比验证研究,保证试验时油流条纹能正确反映出气流绕叶片的摩擦力线图谱.油流法在平面叶栅试验中,可用于显示叶片表面的流动图谱,分析流体在叶片表面是否发生分离,以及分离和再附的位置、大小和方式,推测流场中二次流和旋涡的形成,分析激波位置及激波对边界层的影响.但油流法只能作为一个稳态的流场显示方法,在一些变化剧烈的非定常叶栅流场中,叶片表面油流图谱不能准确显示流场的附面层特征.

2.5 其他叶栅测试技术

除以上测试技术外,纹影/背向纹影、温敏漆、表面热膜等测试技术也分别在叶栅气动试验中得到了应用.相比于油流法,表面热膜测试技术具有频响高、同步性好的特点,可准确测量叶片壁面的剪切应力的大小,进而研究附面层的流动分离、再附和转捩等边界层状态变化过程.国内的李伟、朱俊强和庄纯青、刘火星等人对表面热膜技术在测量涡轮叶栅边界层特性上的应用做了详细的研究[75-76].本文不对以上测试技术的发展和操作流程进行过多介绍.

3 平面叶栅试验的相关科学问题进展

3.1 跨音速叶栅激波研究

跨音速涡轮叶栅中叶片的尾缘和叶顶间隙上常存在激波,并对流场产生较大的影响.Denos 等[77]指出叶片尾缘激波在与激振力密切相关的非定常压力场中起着重要作用.Schennach 等[78]也得到了类似的结论,即压力波动幅度随激波强度变化而变化.除了对压力的影响外,激波还会产生极高的热负荷,从而导致叶片产生热损伤[22].

近十几年来,大量跨音速和高超音速的试验表明,激波诱导的湍流边界层分离都是一种不稳定的现象.激波在壁面附近的非定常性运动具有低频大尺度和高频小尺度两种方式.如图14 为三种典型的激波/边界层干扰示意图.文献 [79]对激波/边界层相互作用的低频不稳定性机理进行了研究,Clemens 认为低频不稳定性主要由上游边界层的波动或分离流动的固有不稳定性所驱动.在强分离流动和弱分离流动时,这两种机制占主导地位不同.

图14 激波诱导的湍流边界层分离[79]Fig.14 Schematic of shock wave/boundary layer interactions[79]

在激波对叶片表面边界层影响的叶栅试验研究中,纹影、压敏漆、温敏漆、油流显示技术等作为常用的测试手段.Lepicovsky[73]基于纹影和彩色油流技术研究了某超音速低稠度叶栅的流场特征.图15表明叶片尾缘激波非常靠近尾缘点,大部分气流能够在叶片吸力面上附着,在中间弦长位置处二次流效应明显.同时在叶片尾缘处可见到由激波边界层相互作用引起的流动分离痕迹.

图15 纹影结果与彩色油流图谱[73]Fig.15 Schlieren diagram and oil flow visualization[73]

文献[80]对某跨音压气机叶栅吸力面上的激波对边界层作用机制进行了研究.图16(a)为吸力面油流图谱,两侧端壁附近存在由角涡诱导的分离区.结合图16(d)可以发现激波在吸力面上的位置(在图16(a)中由一条横穿流动方向的点状线表示).油流图谱16(a)中虚线位置之后的油层较厚,意味着此处壁面附近剪切应力较小,导致油层的积累,推测为激波与边界层发生作用导致的滞止区.滞止区之后出现回流区,为激波诱导的边界层分离导致的.PSP 得到叶片表面的静压分布,显示了由激波导致的静压抬升.文献[80] 综合TSP 图谱(图16(c))发现壁面温度在滞止区内发生了突变,表明此处边界层发生了层流湍流转变,并推测此区域为激波与层流边界层相互作用.Watanabe 等[81]对跨音叶栅叶片表面的非定常压力分布和角涡诱导的分离区进行研究,发现壁角位置处具有较大的压力梯度,此处对应激波脚冲击吸力面的位置.而角涡发生于激波脚的后方,表明激波与边界层的相互作用影响了角涡形成和发展.

图16 跨音叶栅吸力面试验结果[80]Fig.16 Results of suction surface of transonic cascade[80]

在超跨音叶栅激波导致的流动损失研究上,Li 等[82]发现随着马赫数的增加,叶栅流动损失的增长趋势不同.流动损失在亚音速时较为恒定,而在跨音速和超音速流动时急剧增加.此时马赫数对流动损失的影响远大于攻角变化对其的影响.进一步研究发现激波损失在整个叶栅损失中比例较大,并依此修正了跨音涡轮叶栅变工况时的损失关系式.在减小激波损失的措施上,主要有等离子体射流和微涡发生器等[83].吴云和李应红[84]综述了等离子体控制激波边界层干扰的机理与应用.张鑫等[85]研究表明与传统的附面层控制技术相比,基于等离子体的气动激励控制技术不会带来额外的阻力,具有较好的应用前景.近年来,微涡发生器对控制激波/边界层相互作用的研究取得了显著进展.文献[86]发现当使用微涡发生器时,下游出现了一对旋转方向相反的流向涡,这些流向涡携带着高动量流体,增加了壁面边界层的速度,从而抑制激波诱导的分离.与上述所有方法不同,文献[87-88]等提出了在叶片表面开设凹槽来减弱激波的方法,图17 纹影结果显示在叶片的凹槽状波表面产生了一个近似平行或发散的多激波系统.这些斜激波取代了具有高气动损失的λ 激波腿的前支,从而使整个流场的激波损失减小.

图17 开设凹槽型波纹的涡轮叶片和叶栅纹影图[87]Fig.17 Grooved turbine blade and its schlieren visualization[87]

3.2 叶顶间隙泄漏流动研究

转子叶片上方的间隙是造成泄漏流的原因,同时也是高气动损失和热负荷的来源.通过平面叶栅试验可以研究叶片尖区流动特性,从而对该区域提供有效的流动控制设计和冷却设计.长期以来研究者已经对亚音速情况下的间隙泄漏流的流动机理(如图18)、非定常演化规律、传热机理等基础问题进行了深入的研究,详见文献[89-91]的文章.本节则主要关注近年来跨/超音速叶栅试验的激波与间隙泄漏流的流热机理研究和间隙泄漏流的控制方法研究.

图18 叶尖泄漏涡结构的氢气泡流场显示[89]Fig.18 Bubble visualization of tip leakage vortex[89]

叶顶附近的气体通过间隙形成高速泄漏流,其大部分流动为跨音速,这导致激波损失,但在一定程度上也阻塞了叶顶泄漏流[92].Cheng 等[93]提出在避免叶顶与机匣内壁相互摩擦的风险下,间隙要尽可能的小.Newton 等[56,58]试验得出来自压力侧的泄漏涡倾向于冲击叶片尾缘尖区,导致大量的热传递,此处传热系数甚至高于前缘的滞止区域.Du 等[94]研究了跨音压气机激波与泄漏流相互作用,如图19所示为跨音速压气机叶片叶顶间隙三维流动结构.跨音压气机叶片前缘的激波与泄漏流在通道内相遇,发生波涡干涉效应.激波发生弯曲并打到相邻叶片的吸力面上,同时将泄漏流的非定常发展分为两种不同形式:位于激波之前的叶尖泄漏流进入通道内部与主流相互作用,发展成泄漏涡且强度较高;而激波之后的叶尖泄漏流可能会横穿整个通道,并作用在相邻叶片的压力面上,一小部分会再次与压力侧的泄漏流掺混在一起,产生二次泄漏.西北工业大学的杨晰琼等[95]进一步研究发现间隙泄漏涡会导致激波结构向上游凹曲.随着转子越来越接近失速点,激波在相邻叶片吸力面的作用点将越来越靠近前缘,使第二部分泄漏流越来越强,甚至将第一部分泄漏流完全推出通道.根据Vo 等[96]的研究,第一部分泄漏流溢出是压气机失速先兆发生的先决条件之一.

图19 跨音压气机叶片激波与泄漏流相互作用[94]Fig.19 The interaction schematic between shock wave and tip leakage flows for transonic compressor blade[94]

在涡轮叶栅的间隙流动研究中,油流、氢气泡、纹影测试技术发挥了重要作用.图20 为带有间隙的涡轮叶片彩色油流图谱[97].吸力面、压力面和叶顶分别涂上黄色、红色和绿色涂料,以观察不同流动的迁移特征.泄漏流在前缘位置处流量较小,大部分泄漏流通过叶顶中部和后部形成强烈的间隙涡动,并伴随有剪切作用.在叶顶的压力侧尾缘附近,流场发生分离和再附.图谱上可明显看到一条分离线(lift-off line),表明泄漏流跨过间隙流到吸力面时,与吸力面叶顶附近上洗的气流相互作用.同时吸力面叶顶附近还有一条再附线,将参与上洗到间隙泄漏涡的气流与下洗气流分开.文献[72]进一步研究表明这条线实际指示出泄漏涡撞击到叶片吸力面上的位置.文献[98]通过纹影试验研究涡轮叶片间隙内的具体激波结构.气流在压力侧边缘分离,并在间隙内再附且形成激波.当膨胀比较低时,在再附区下游形成正激波,并终止于斜激波.而当膨胀比较高时,正激波进一步向下游移动,此时大部分叶尖间隙区域都为超音速流动.斜激波在固壁和叶尖表面发生反射,导致边界层的迅速增厚.

图20 跨音速涡轮叶片间隙流动示意图[97]Fig.20 Tip flow structures of transonic turbine blade[97]

同减小激波损失的方法一样,间隙泄漏流动的控制方法根据有无能量输入分为主动控制和被动控制.主动控制主要为叶顶喷气和等离子体激励等.被动控制主要有叶顶布置凹槽、小翼等结构.表2 列举了近年来部分对间隙泄漏流的控制措施.

表2 国内外关于控制叶顶间隙泄漏流的叶栅试验研究Table 2 Overseas and domestic control schemes of tip clearance leakage flow on linear cascade

需要指出的是,尽管目前国内外对涡轮叶顶间隙泄漏流动控制方法做了很多研究,但仍以被动控制居多,主动控制较少[114];且在低速下开展的叶栅试验较多,而在高速情况下开展的试验较少.由于跨/超音速情况与亚音速流动有较大不同,当采用以上方案对叶顶进行精细化设计和改动时,间隙内流动将更加复杂.因此,需要在跨/超音速情况下开展叶顶间隙的机理研究和控制方法验证.

3.3 叶片优化研究

叶片设计的主要目的用于减小叶型损失.因此基于现有的原始翼型展开精细化设计,也可称之为叶型优化的气动试验研究.

在二维改型设计上,通过修改叶型的最大厚度及其位置、最大弯角及其位置设计出前加载/后加载叶型,用于研究叶片沿弦长方向上负荷分布对叶栅基元级性能的影响,从而进一步研究叶型损失.近年来跨音涡轮试验成为研究热点之一,不同跨音涡轮叶型的改型研究也大大促进了跨音叶栅在变工况时的损失机制的研究和性能评估方法的发展[19,115-116].Corriveau[117]对某跨音高压涡轮的中间加载型的标准叶型HS1 A 进行改型,以研究跨音涡轮叶片的加载性能和负荷分布的影响,分别设计了负荷前加载和后加载叶型,在设计出口等熵马赫数为1.05 的情况下,对三种翼型进行比较,发现在攻角变化-5°到5°范围内,后加载翼型都能表现出更好的性能,总压损失大幅度降低;但在其他攻角情况下,中间加载叶型总压损失更小.Jouini 等[118]研究了非设计状态下前缘改型对跨音涡轮叶栅性能的影响.Zhao 等[119]提出对高负荷跨音速涡轮叶片采用负曲率曲线进行改型设计,降低激波损失的方法.改型后的涡轮叶片使相邻两道激波的交点位置延迟,激波损失减小,总压损失系数降低4.58%,同时叶片的负载性能得到一定程度的提升.

在叶片的三维设计上,通过对叶片的径向积叠线进行优化,得到不同形式的弯曲叶片,用于研究端壁旋涡流动.Breugelmans 等[120]对直叶片、斜叶片、正弯叶片和反弯叶片进行试验研究,发现三种改型后叶片的叶型损失在一定程度上都有所减小.赵桂杰等[121]试验表明弯叶片改变了流体在叶栅通道内的径向压力梯度,阻止边界层向吸力面角区聚集,从而减轻了因角涡导致的气动损失.凌敬等[122]进一步优化了叶片的径向积叠线,得到了总压损失与积叠线弯角和弯高的关系.在高马赫数条件下,弯叶片的收益更加明显,存在一个最佳的弯角使流场气动损失最低.

近年来研究者采用遗传算法和神经网络的优化方法对叶型进行优化设计,然后在平面叶栅试验台上对优化结果进行验证.Sonoda 等[123]对某跨音涡轮叶型进行多参数优化.优化后的翼型总流动损失下降12%,其中尾缘损失和激波损失得到了改善,而边界层内部的摩擦损失要更严重.这意味着跨音速涡轮叶栅中的激波和尾迹损失比边界层内的黏性摩擦损失更重要.图21 的纹影结果进一步表明尾迹损失的减小是由于压力侧尾缘附近马赫数得到了降低.优化后的叶片在压力侧的尾缘附近具有一个小凹坑,这导致了尾缘附近形成了双激波系统,相比于原始翼型尾缘处较强的单激波系统,激波和尾迹损失较小,流动情况得到了改善.

图21 原始翼型与优化翼型的纹影图谱[123]Fig.21 Schlieren image of original and modified airfoil[123]

3.4 多尺度非定常旋涡结构研究

由于黏性导致叶片端壁附近产生边界层和压力梯度,进而产生端部损失.端区流动方式区别于主流,具有明显的三维流动特征.马宏伟等[124]采用氢气泡显示技术,借助水洞对涡轮叶栅端壁附近的非定常流场进行了研究.刘昊[125]指出通道内端部二次流的发展起始于端壁进口边界层发生的复杂三维分离,在通道内部完全分离并脱离端壁表面,整个过程中分离流卷起形成相应的涡系结构.旋涡的出现使得端部区域的流动呈现明显的三维流动特性.Kan 等[126]描述了旋涡与流动损失的关系,如图22 所示.旋涡结构是低能流体团迁移过程的“载体”,旋涡结构的发展过程就是低能流体团以旋涡结构为载体的迁移过程.同时,低能流体团的迁移过程又伴随着叶栅流动损失的生成和发展.因此可以将端部流动损失的研究转移到端部不同旋涡及其相互作用机理的研究中.关于平面叶栅的端壁旋涡模型及多涡—单涡演化[127]的研究方面,文献[125,128-130]都做过详细的综述.在研究和发展上述模型时,氢气泡、烟线、PIV 等测试技术发挥了重要的作用[131].

图22 压气机叶栅内流动损失的涡动力原理[126]Fig.22 Vortex dynamic mechanism of curved blade affecting flow loss in compressor cascade[126]

端部二次流控制技术在不明显改变叶栅参数前提下重新组织叶栅端部流动,抑制端部旋涡强度、减小旋涡带来的不可逆损失.控制手段分为主动控制和被动控制[132].表3 列举了部分叶栅端部二次流主动控制试验研究.

表3 端部二次流的主动控制试验研究Table 3 Active flow control of endwall secondary flow

端壁二次流的被动控制技术通过对端壁通流部分局部调整或者优化设计,从而对端区流动进行重新组织.主要包括前缘倒角、端壁分隔板、弯掠叶片技术、非轴对称性端壁造型技术等.这些技术分别在抑制马蹄涡、通道涡等其他二次流动中起到作用,被大量研究,此处不再赘述.

3.5 振动环境下叶栅流场研究

随着高性能航空发动机的发展以及高推重比的要求,涡轮设计需要有更高的级负荷,而压气机需要有更高的单级压比,使得级承受着较大的气动不稳定性.在超/跨音叶栅中,当振动叶片的压力扰动与上下游部件的反射激波耦合时,可能会发生气动声学颤振[139].这类气动弹性问题往往在航空发动机试验后期阶段被发现,易造成重大损失.平面叶栅试验由于便于测试仪器的安装布置和流场可视化,可用于气动不稳定性的研究.先前的颤振研究详见文献[140-141].近年来研究者重点关注气动不稳定性的机理及方法.马宏伟等[142]在压气机振动叶栅试验台上研究了叶顶吸力面肋条对叶片气动不稳定性的影响.文献[143-144]进行亚音速下大攻角压气机叶栅的振动试验,并研究了由于叶间相位角和来流攻角等因素引起的气动阻尼变化.Belz 等[145]发现大攻角下的分离流动会降低颤振的稳定性,而再附流动具有稳定作用.文献[146]发现叶间相位角是发生颤振的折合频率的函数,不稳定的叶间相位角随着折合频率的降低而增加.Merienne 等[147]使用Fast PSP 和Kulite 传感器同时测量了跨音速叶片表面的非定常压力分布,研究了下游周期性压力扰动对振荡激波与边界层的相互作用的影响.图23 高分辨率的PSP 图像可看出激波的形状和位置.当下游没有周期性扰动时,激波较为稳定.时均PSP 图像显示出流场两侧角区附近的角涡.均方根结果显示整个区域都较为稳定.当下游具有周期性的压力波动时,如图24,激波位置发生波动.均方根结果清晰地显示出了振荡激波的波动位置和强度.图中黑点位置为Kulite 传感器测压孔,PSP 测量结果与Kulite 传感器测量结果基本一致,显示Fast PSP 技术在测量非定常流动方面的能力.

图23 无周期性压力扰动时PSP 时均和脉动图谱[147]Fig.23 Average and RMS PSP images without shock oscillation[147]

图24 有周期性压力扰动时PSP 时均和脉动图谱[147]Fig.24 Average and RMS PSP images with shock oscillation[147]

目前对于气动不稳定性的研究中,激波对叶片颤振特性影响的试验研究仍然较少.这样的试验测量结果可以对颤振的机理研究提供更深层次见解,也有助于验证现有的用于颤振预测的模型和方法.另一方面,当前研究重点关注叶片对于气流的非定常响应和气动弹性问题,数值模拟也多采用单向流固耦合的方法.事实上,当周围流场有周期性压力波动或固壁振动时,也将进一步造成叶栅内流场的非定常性.

4 总结和展望

4.1 总结

本文综述了近年来平面叶栅气动试验的研究现状及叶栅流场测试技术的发展,并回顾了当前平面叶栅试验研究的相关科学问题.总结如下.

(1)平面叶栅试验装置进展

组织好试验段的气流是平面叶栅试验的最基本的要求.叶栅试验的重要准则是能够模拟无限叶栅流动条件,这就要求保证试验段气流的进口均匀性和出口周期性.先前研究者对叶栅试验段流场品质的提高措施可以概括为以下四个方面:①对栅前整流部件做出改进;②对叶栅进气段、试验段来流边界层抽吸;③对叶栅试验段端壁轮廓线进行优化;④叶栅出口段采用可调尾板及可调端壁等.

(2)平面叶栅试验测试技术进展

区别于之前的单点、接触式及稳态测量技术,基于“场”的非接触、动态测试技术在跨/超音叶栅气动试验研究中逐渐得到应用.平面叶栅气动试验的测试区域为栅前、栅后、叶片表面和叶栅通道内部.栅前、栅后流场的测试可用于评估流场入流品质和验证叶片气动性能;叶片表面参数和叶栅通道流场空间参数的测试是研究叶栅流场流动机理的思路和途径,从表面参数到空间参数的映射也反映出了多种复杂流动的分离、再附和涡波干涉等非定常特征.栅前栅后流场测量常采用传统的接触式测试技术;对于叶片表面参数和叶栅通道空间参数的测量,近年来发展了非接触式的光学测试技术.如PSP、液晶、红外热成像、PIV 等.油流技术可以反映叶片表面边界层特征,但只能进行稳态和定性研究.表面热膜技术可测量叶片壁面的剪切应力研究流动分离、再附和转捩等边界层状态变化过程,实现定量的测量.

(3)平面叶栅试验研究内容进展

如图25 所示,可压缩性和黏性是影响平面叶栅流场的两个重要的因素,分别用于衡量可压缩性和黏性的马赫数和雷诺数是两个非常重要的无量纲准则数.同时,叶栅流场也应该考虑波、涡等非定常性.在跨/超音平面叶栅流场中,激波、边界层、二次流等各种复杂流动相互作用,造成流动损失.跨超音速叶栅的激波与边界层干扰导致的边界层分离往往是造成叶栅流动损失急剧增加的主要因素.通过先进的叶栅试验和测试技术,揭示叶栅内复杂流动机理,探索减小气动损失的方法,已成为平面叶栅试验研究的重要内容.

图25 平面叶栅气动试验研究思路和途径Fig.25 Research approaches of aerodynamic experiment on linear cascade

4.2 展望

(1)平面叶栅试验段的流场品质提升措施

叶栅试验的周期性研究和流场品质的提升措施需继续开展.单一整流方法往往效果不佳,需要多种整流方法交互作用.对于跨/超音涡轮叶栅来说,由于尾缘处存在激波,激波在尾板上的反射可能进一步造成流场中的压力波动.因此叶栅双层尾板且内层尾板开孔可调是一种较新的控制措施.如何既能使用较少的叶片数又能保证流场质量是近年来叶栅周期性研究的问题之一,单通道的叶栅风洞试验件(台)逐渐发展并得到应用,但单通道试验方案有以下劣势:叶片攻角不易调节;周期性的检验只能依赖于一个节距上的参数测量结果;需精细化设计试验段进出口及尾板的形状.

(2)叶栅复杂流动机理研究

复杂流动现象的基础机理研究仍需进一步引起重视.尽管目前试验测试技术的发展大大促进了人们对亚音速叶栅流场流动机理的认知.但跨/超音速叶栅流场更加复杂且存在激波,多种流动相互作用造成流场的空间不均匀性和时间上的非定常性.激波与边界层相互干扰导致严重的气动损失,但其深层次作用机理尚不明确,如激波作用下边界层的转捩与分离形式;边界层分离对激波腿/反射激波的干涉效应,激波进一步对尾迹和二次涡流的影响等.图26 简单梳理了叶栅流场中可能存在的流动现象及相互作用机制.事实上,真实的叶栅流场远比下图更加复杂.每一种流动现象必有其他作用相互干扰,共同造成流场的“混乱”和非定常性.此外,对于基础流动机理的研究,除了要以无量纲准则为指导,以激波、多涡、湍流微小结构等为深入点,更要着重于这些复杂流动现象的动力学本质及基础.如压力梯度作用下的边界层、端壁旋涡、尾迹的产生及非定常发展过程中的涡量输运和熵产.理清上述问题,才能对流动控制的研究提供理论基础和指导.

图26 平面叶栅气动试验中的复杂流动Fig.26 Complex flow phenomena of aerodynamic experiment on linear cascade

(3)叶栅流场测试技术研究

叶栅流场的测试技术仍需不断发展.常规的接触式测量方案尽管精度较高,可操作性强,但难免对流场产生干扰且难以实现“面”测量.如何在叶栅试验中采用高精度、高频响的微型动态压力传感器进行壁面阵列,从而获得壁面静压的分布和非定常演化,需要重点考虑.在这方面的测试方案上,北京航空航天大学的马宏伟团队做出了较多的研究[28-29,89,142-143].

此外,动态多孔气动探针实现叶栅通道不同位置处的非定常测量也较少被研究.气动探针对流场的影响不可忽略,特别是跨/超音速叶栅流场中,探针的堵塞效应较大,因此如何建立探针的堵塞模型,修正测试结果甚至采用何种措施减小/弥补探针对流场的影响是接触式测量中一个亟需解决的问题.

在非接触式测量方案上,光学测试技术表现出较好的应用前景.超跨音叶栅试验应充分利用光学测试手段.PIV 在叶栅流场速度测试中具有重要的应用.但光路布置是影响PIV 测试精度和准确性的一大问题.尤其是涡轮叶片弯角较大,遮挡PIV 测量叶栅三维流场,发展内窥或者新型透明试验件材料或是解决此类问题的突破方向.单通道的叶栅试验提供了解决此类问题的另一个思路和办法,但仍需对单通道流场的周期性进行细致检验.对于跨/超音速叶栅流场的光学测量,还要考虑高速高温的测试环境对相机等测试装置的影响.此外,叶片表面的反光会使近壁区流场信息丢失甚至产生伪矢量,荧光粒子法或叶片表面涂抹荧光漆的方法将在叶栅通道的PIV 测量中展现出一定的应用前景.

(4)叶栅流场测试区域及分析方法研究

叶栅流场测试区域受限,且分析方法需要进一步完善.叶片表面参数和叶栅通道流场空间参数的测量是叶栅流场试验的主要测试内容.常规的测试区域受限于传感器的安置、光学布置困难等因素,多集中于叶片中间叶高及尾缘附近,而端壁及间隙处的测试相对较少.端壁二次流和间隙处激波与泄漏流(涡)的交互作用研究需进一步开展.在间隙处开展纹影试验同步油流显示是研究此类问题的一个思路和方向.在流动分析方法上,除了要进一步考虑使用多种复杂流动掺混/干涉效应的模型构建法、叶栅二次流的旋涡识别法、描绘端壁旋涡结构的拓扑分析法,也要加强对叶栅流场非定常模态分析方法的研究.如采用本征正交分解方法(POD)、标准动态模态分解方法(DMD)、谱本征正交分解方法(SPOD)等方法,对非定常测试数据实现降维,从而得到影响流场发展的主导模态.

(5)激波作用下的流固耦合研究

跨/超音速叶栅流场同时存在激波和旋涡两种基本结构与运动形式.激波作用于边界层上,导致大量气动损失.在激波与边界层相互干扰的作用研究上,虽然有大量的数值模拟结果表面激波和边界层相互作用对叶片颤振和流场不稳定性具有重要作用,但迄今为止,还没有足够的试验结果说明激波/边界层相互作用对振动叶片上整个表面上非定常压力分布的作用机制和内部耦合机理,叶片颤振不稳定的流动机理尚存在诸多问题.因此在跨音速平面叶栅试验台上开展振动叶片情况下非定常压力分布的测量对于研究和预测叶轮机械的气动不稳定性是非常重要的,在今后的跨/超音叶栅中应当继续引起重视.激波对于叶栅端壁二次流的影响和激波与旋涡的相互影响机理仍不明确,激波与旋涡的相互作用应当成为今后超/跨音速叶栅分析中需要关注的重点.在跨/超音速情况下开展叶顶间隙流动的机理研究和控制方法验证,因其极强的工程应用背景、复杂的流动机理、相对较为容易的光路布置方案和光学测试环境,在后续研究中仍需关注.