慣性粒子分離器清除流道PIV測量與分析

王彤， 孫亮亮， 邵昱昌

上海交通大學 燃氣輪機研究院， 上海 200240

慣性粒子分離器清除流道PIV測量與分析

王彤*， 孫亮亮， 邵昱昌

上海交通大學 燃氣輪機研究院， 上海 200240

采用粒子成像測速技術(PIV)對慣性粒子分離器彎曲通道模型進行內部流動測試，分析其清除流道流場的結構特點。試驗發現，在清除流道進口的不同高度截面上均有回流渦的存在，在不同清除流比(SCR，14%～20%)、不同流量下回流渦結構不同。回流渦的存在是導致小粒徑顆粒分離效率低的原因之一。試驗結果表明：固體壁面對該回流渦存在很大影響，即越靠近壁面回流渦尺度越大；當SCR值越大時，回流渦占清除流道面積越小；而當進口流量增大時，回流渦尺度變化很小。內部流場以及回流渦尺度的主要影響因素為SCR。本文結果可以為數值模擬以及分離器結構改進提供依據。

慣性粒子分離器； 清除流道； 粒子成像測速技術(PIV)； 清除流比(SCR)； 回流渦

直升機因其靈活起降、低空飛行等特點，在民用和軍事方面有著獨特的應用領域。而正是由于常常在低空盤旋，導致直升機發動機運行環境比較惡劣，地面固體顆粒雜質對發動機的危害機率遠遠大于其他飛行器。地面砂塵等固體顆粒吸入發動機后，會撞擊、沖刷流動通道，導致壓縮機葉片型面及燃氣輪機葉片變形，降低發動機的氣動性能，嚴重威脅直升機的飛行安全。為了保證直升機的飛行安全和可靠性，粒子分離器已經成為渦軸發動機進口的標準配置[1]。

慣性粒子分離器(Inertial Particle Separators, IPS)[2]通常為軸對稱通道，采用慣性分離原理，將砂塵通過清除流道排出，大部分清潔氣體進入主流道。國外從20世紀70年代開始粒子分離器研制工作，Robert 和Bernard[3]進行了一系列工作包括流道設計及改進，包括預旋葉片設計以及外圍蝸殼設計；Hamed[4]則采用數值模擬給出不同粒徑的分離效率影響因素，大粒徑顆粒的分離效率主要受到流道結構影響，小粒徑顆粒則主要由內部流場決定，故小粒徑顆粒難以達到大粒徑顆粒的分離效果，難以分離；Vittal[5]等使用有限元方法對某型號的分離器采用數值模擬，在改變分離舌形狀情況下能夠提高分離效率，并采用試驗的方法檢驗模擬結果。Tabakoff[6]則利用Laser Doppler Velocimetry(LDV)技術，得到粒子撞擊不同材料壁面時的反彈規律; Zedan等[7]從數值模擬以及試驗上對粒子分離器效率研究，數值模擬結果與試驗得到的結果相吻合；Farooq和Amhad[8]則考慮到了多元素翼型配置對分離效率可能產生的影響做了詳細的數值模擬分析，并且計算了不同來流角度產生的影響。無預旋慣性粒子分離器結構簡單，附加流動阻力小。國內從20世紀90年代末開始進行相關研究，候凌云[9]分別對二維和三維結構的IPS進行了數值模擬；葉靜等[10]給出了無預旋IPS流道設計原理和設計流程，討論了各種結構參數對分離器性能帶來的影響；Floria等[11]利用高速攝影CCD相機捕捉到了清除流道入口處回流渦的存在，通過數值計算并據此對流道進行改進；高彬彬等[12]建立了IPS流道參數化模型，并通過數值計算方法進行了流道的優化，得到一個分離效率和壓降損失較小的模型。南京航空航天大學的吳恒剛和王鎖芳[13-14]通過試驗以及數值模擬的方法研究了分離舌不同位置對粒子分離器分離效率影響。南京航空航天大學童悅等[15]通過數值模擬的方法研究了帶掃氣蝸殼的整體式慣性粒子分離器，并對原掃氣蝸殼進行了優化設計得到了較好的模型。可見，國內對IPS的研究主要以流道及型面參數設計、數值計算模擬為主，未見有對其內部流場細節試驗測試的研究報道。隨著激光測試技術的發展，Barone[16]等首次使用粒子成像測速技術(PIV)對IPS內部流場進行測試。由于IPS環形流道帶有曲率，測試存在一定困難，故將環形通道簡化為矩形截面通道模型，并比較了3種不同外壁面型線下的流動結構，在清除流通道入口處發現了典型回流渦的存在。

總的來說，目前國內關于整體式慣性粒子分離器的研究工作主要在主流道及型面參數設計，研究方法上以數值模擬分析為主，對內部流場可視化研究工作幾乎沒有。為了實現其可靠有效地應用，有必要對該流動進行專門研究。

考慮到慣性粒子分離器內部流動經過分離舌后分為清除流通道和主流道，不同清除流比(SCR)下分離效率不同；與主流道相比，清除流道內部流速低，顆粒濃度高，流動更加復雜。另外從前人的測試和計算結果來看，小粒徑顆粒的分離效率都遠遠低于大粒徑顆粒。除了顆粒本身慣性問題，流場流動特征對分離效率的影響并未進行說明。故有必要研究其內部流動結構的特征，以便優化分離器的幾何參數提高分離效率。本文針對某整體式慣性粒子分離器的矩形分離通道模型進行了PIV測試，通過合理配置激光光路，對清除流通道進行了多工況內部氣流場的測試，分析了不同拍攝平面處、不同清除流比、進口流量下流動參數以及回流渦及內部流場的變化規律。

1 試驗研究

1.1 試驗系統

為提高測試中示蹤粒子的跟隨性和測試結果的可靠性，在測試系統的光學設備可辨別的條件下，應選用粒子的粒度盡可能小[17]。本次試驗中的示蹤粒子主要是通過油高溫霧化產生極細顆粒，粒徑一般在0.5～5.0 μm之間。試驗流程示意如圖1所示，從左往右，進口空氣帶有示蹤粒子，經過分離器從兩端出口分別流出，兩端配置風機提供氣源。由于整個測試系統內流場為負壓狀態，為檢驗整個試驗過程是否有外部氣體滲入而干擾試驗結果，所以前端進口也連接流量計。通過二者的流量的校核詳細檢查試驗系統，直到前后流量誤差符合試驗要求。

1—進口壓差流量計；2—粒子分離器測試臺；3，4—出口渦街流量計；5，6—氣路調節閥；7，8—帶轉速調節的工業風機；9—PIV測量系統和數據處理系統。圖1 測試系統示意圖Fig.1 Sketch of experiment system

試驗系統主要包括以下幾部分：

1)測試臺是試驗系統的核心，是粒子分離器模型安裝和測試的試驗區，前后各連接進氣管道和排氣管道。

2)供氣系統為試驗臺提供粒子分離器所需要的氣體工況。供氣系統總體方案為：在試驗臺管路兩個尾端各安裝一定功率的風機，來自大氣的空氣介質通過風機抽吸作用，經過壓差流量計、粒子分離器和渦街流量計，最后經由風機排向大氣。各管路的空氣流量調節則可以通過調節風機轉速實現。

3)PIV測試系統包括激光發生器、激光光路配置系統、坐標架調節系統、相機及其控制系統等，可實現對特定平面進行試驗拍攝。

4)粒子分離器模型，流場試驗的關鍵部分為某一型號自行加工的有機玻璃試驗件，其結構如圖2所示。圖2(a)為原流道簡化的矩形截面模型，包括外壁面(Shroud)、內壁面(Hub)和分離舌(Splitter)。圖2(b)為分離舌頭部幾何參數，最小曲率半徑為2.55 mm。由于本文采用油霧示蹤粒子，每隔一段時間實驗器材會附著油污而影響拍攝進行，故外壁面頂蓋可以拆卸方便清洗內部流道。模型進口寬度為L，進口高度為H，模型的通道長度為3.9H，該試驗件進口截面L/H=1.08。

在試驗過程中，為了避免其他玻璃壁面反射雜光的干擾，采用黑色的材料覆蓋分離舌區域，內外壁面反射區進行涂黑處理。試驗測試中，整個試驗環境盡可能在自然光較弱下拍攝，除拍攝平面和光源入射面外均涂黑處理。

圖2 粒子分離器模型Fig.2 Testing IPS model

1.2 數據測量系統與數據處理

PIV誕生于20世紀70年代左右，隨著計算機技術、圖像處理技術以及激光技術的發展，PIV由于其全場、定量、非接觸式等特性而得到廣泛的應用。PIV技術發展迅速，目前主要分為二維測試和三維測試[18]。本文的PIV測試系統為二維，采用CCD相機直接將片光源截面的流場信息存儲到計算機圖像處理系統，然后通過相應的圖像處理得到流場速度分布[19]。

PIV測量系統主要由成像系統[20]和圖像處理系統組成。其中成像系統主要由激光器、光導壁、片光源、相機圖像采集系統和同步控制系統組成。文中采用丹迪公司的PIV測試系統，PIV系統的激光器為雙諧振脈沖式Nd：YAG激光器，激光脈沖最高頻率為20 Hz，每個脈沖能量為200 mJ，激光波長為532 nm(綠光)，片光源厚度約為1 mm，張角為14°，CCD相機像素為2 048×2 048。圖像處理系統為Dynamic公司自行開發的軟件，主要對CCD相機采集到的圖片進行互相關處理，并且顯示速度矢量。PIV設定跨幀延時為40 μs，兩個激光頻率為5 Hz，PIV儀器測量精度在±1%。

CCD相機拍攝的圖像如圖3所示。通過圖片上的圖案可以清楚地看到粒子在分離器內部流動流動狀況。由于拍攝平面包括兩個出口，但是激光器從一側發出片光，所以造成另一側亮度不夠，如圖中所示A區，在后期處理時進行處理而不參與相關計算。

圖3 CCD相機成像與對應流動信息Fig.3 Picture captured by CCD camera and corresponding flow information

圖3(a)、圖3(b)中的示蹤粒子分別為霧化顆粒測試與細砂顆粒圖片及相應的流場結果，砂塵跟隨氣流進入分離器之后，首先由于流道截面積逐漸減小，氣流速度增加，砂塵在氣流的拖曳力作用下，速度也會逐漸增加。在繞過內壁面彎曲通道頂端時，由于存在離心慣性力，相對于氣體質點，砂塵更容易保持原有運動狀態，沿切向進入清除流通道。砂塵的粒徑和質量越大，慣性越大，越容易分離，小粒徑砂塵則相對難以分離，這從圖3可明顯看出不同粒徑砂塵分離效果的差別。

從圖3(a)中可以發現，霧化的細小顆粒跟隨性較好，在分離舌前后整個區域分布較為均勻，作為示蹤粒子，可以很好地得到氣流場的信息。這意味著對于該尺度的極小顆粒，分離效果并不明顯，顆粒與氣流完全混合，隨氣流運動。

圖3(b)中細砂顆粒滿足國軍標(GJB1171—91)，顆粒粒度構成如表1所示。在圖3(b)左圖中，細砂雖然在進口處分布較為均勻，而隨著流道發展，顆粒逐漸向清除流道聚集。由于經過內壁面彎曲通道頂端后進主流通道前，顆粒數很少，不足以進行速度場計算，故有較大誤差。由顆粒軌跡分析得到的顆粒速度場與圖3(a)中氣流場不同。同時大粒徑顆粒會發生相互碰撞形成隨機速度分布，不再與氣流場同步，對應氣流場的低速回流區幾乎沒有發現。因此，小粒徑顆粒分離效果與清除流道流場特征密切相關，有必要詳細分析清除流道的流動結構。

表1 細砂顆粒粒度構成Table 1 Composition of sand size

1.3 試驗工況

SCR為影響慣性粒子分離器性能的重要參數，其值為：SCR=清除流道流量/主氣流通道流量，SCR的大小與分離效率和壓降損失有著重要關系，在本次試驗中將測試不同SCR下流動結構。

由于試驗整個通道內部為負壓環境，在不同SCR情況下，進口流量計和兩個出口流量數據的對比關系如表2所示。進口流量計截面直徑為115 mm。

(1)

式中：Q為測得進口體積流量；Q1為清除流道體積流量；Q2為主氣流道體積流量；ξ為前后流量差別。

從表2中數據可以看出，在低流量運行時，外部泄漏很少，隨著進口流量的增大，外部泄漏進來的流量也逐漸增加。這是由于在該負壓流動系統中，流量增加的同時導致管道中內外壓差加大，引起外部空氣流入。還可能由于流量增加后，流動參數波動加大導致數據讀數波動較大。從整體上，即使在大流量下，整個數據誤差小于5%，在可接受范圍內。

表2 進口流量與SCR工況Table 2 Inlet flowrate and corresponding SCR

2 試驗結果及分析

2.1 拍攝截面對測試結果的影響

針對本文簡化的粒子分離器模型，進行了典型工作狀態的流動特征分析，給定的主要參數條件為：主氣流通道流量為425 m3/h；清除流道流量為71 m3/h；SCR為16.7%。為了觀測矩形截面通道中壁面對流動結構的影響，分別提取了最靠近側壁面L/6截面、L/3截面和通道中間截面L/2處的流場進行比較，分別代表近壁面、流道中部和兩者間位置。在連續拍攝40對圖片之后取平均互相關算法可得到測試時間內的氣流速度分布，如圖4所示。

圖4 內部流場在不同拍攝平面的變化Fig.4 Variation in different sections of inner flow field

從圖4中流線分布來看，在試驗模型流道內，進入粒子分離器主流通道的氣流流動均非常通暢，無分離趨勢。但氣流經分離舌進入清除流道后，在外壁面附近有明顯回流渦存在。在L/2中間截面處，回流渦集中于外側壁面，占據流道約一半寬度。隨著測試位置向壁面移動，在L/3處，回流渦區域增加，到靠近壁面的L/6截面位置，回流渦已經占據了整個清除流通道，同時還對主流通道有一定的影響。

很明顯，由于慣性小、跟隨性好，回流渦的存在可能會使較小粒徑顆粒隨回流渦運動，難以提高分離效率。在試驗中還發現，在更靠近壁面時如圖5所示，由于清除流道回流渦堵塞了整個流道，會導致氣流直接進入主氣流通道，這勢必會導致粒徑較小粒子進入主氣流通道而降低小顆粒砂塵的分離效率。這可能是小粒徑顆粒分離效率難以提高的原因之一。

圖5 回流渦誘導主通道流場Fig.5 Core flow influenced by backflow vortex

從流線分布來看，形成上述現象的原因在于：沿著外壁進入清除流道的氣流與水平分離舌有一定夾角，清除流可能會沖擊分離舌壁面，在兩側壁面作用下形成二次流結構。與環形通道截面相比，兩側的壁面又會促使清除流道在橫向形成回流，與上壁面分離的渦回流至主氣流道，進而導致模型分離效率的進一步下降。

慣性粒子分離器一般是旋轉對稱結構，若直接采用原模型有機玻璃加工而進行PIV流場測試會存在一定挑戰，因此為測得內部流場特征，本文中的矩形截面的慣性粒子分離器是流道經過拉伸一定長度而來，這是矩形截面的粒子分離器與環形通道粒子分離器不同之處，通過測試發現壁面對其影響在環形對稱結構中是不可能存在的，因此矩形通道的流場測試應避免對流場的干擾，對流場的特征分析應在中間平面上，在實際應用中需要引起關注。

2.2 不同SCR下內部流場變化

考慮到上述兩側壁面對流場的影響，本文重點關注L/2截面處流場變化。在粒子分離器中，SCR是影響分離效率的重要因素之一，通常設計中選取SCR范圍在0.14～0.20之間。文獻研究表明[8]，SCR越大，分離效率越高，尤其體現在粒徑較小的情況。但SCR的增加，意味著清除流道流動損失加劇，主流通道流量減少，經濟性降低。為了探究SCR與內部流場變化關系，本文對比了3組同進口流量、不同SCR下的工況，表3為工況具體參數。

表33組同進口流量、不同SCR工況

Table3ThreeconditionswithsameinletflowrateanddifferentSCR

ConditionQ/(m3·h-1)Q1/(m3·h-1)Q2/(m3·h-1)SCR/%Condition14966143514．1%Condition24967142516．7%Condition34978341420．0%

3組不同SCR下，速度云圖為背景的流線分布如圖6所示。在同進口流量不同SCR下，測試結果顯示清除流通道的回流渦總是存在的，并且回流渦集中于外壁面附近，只是回流渦的大小隨著SCR的變大有變小的趨勢。有效面積定義為在清除流道中，去除了回流區所占區域的通道截面積。在試驗中是按照通道寬度對應出來的，未計及在三維方向上的回流區面積變化。在圖6中，回流渦對應低速區，隨著SCR增大，清除流通道有效流通面積也在增大。可見，回流渦的尺度減少，相應地對顆粒的分離阻礙作用就會減少，分離效率就會相應提高，這與文獻[10]和文獻[16]得到的結果趨勢是一致的。

圖6 內部流場隨SCR變化Fig.6 Internal flow field varying with SCR

2.3 不同進口流量下內部流場變化

由于粒子分離器主要利用了固體顆粒的慣性和流道彎曲、收縮作用達到氣固分離的目的。當氣流速度增加時，離心力慣性力會相應增加，會使顆粒在慣性作用下更容易達到清除流通道，這應當會增加氣固分離的效率。針對3組不同進口流量、同樣SCR值和拍攝截面處，測試結果如圖7所示。流量工況如表4所示。

圖7 內部流場隨進口流量變化Fig.7 Internal flow field varying with inlet flow rate

表4 3組不同進口流量、同SCR工況

Table4ThreeconditionswithdifferentinletflowrateandsameSCR

ConditionQ/(m3·h-1)Q1/(m3·h-1)Q2/(m3·h-1)SCR/%Condition42243520916．7%Condition54967142516．7%Condition679411468016．8%

從圖7流線和速度云圖中可以看出，在同樣的SCR情況下，雖然流量增加后，清除流通道流速增大，但是對清除流道回流區尺度影響并不明顯，回流區位置和尺度幾乎保持不變。即在同樣的SCR情況下，進口速度的變化對清除流道的流動結構影響不大。

由于小粒徑顆粒受到回流渦的作用而聚集在清除流道進口，還有可能返回進入主氣流通道，因此在SCR不變的情況下，清除流道流場特性類似，回流渦尺度接近，小粒徑顆粒的分離效果是接近的。由此可見，較大粒徑顆粒可以通過提高氣流速度提高慣性力，進而增加分離效率，而對于小顆粒，更多的受到清除流道流場特性的影響。那么，為了提高小粒徑顆粒的分離效率，有必要對分離器流道幾何參數進行優化設計。

3 結 論

1) 清除流道進口的典型回流渦結構受到壁面影響較大，越靠近兩側固體壁面，回流渦尺度越大；回流渦及兩側壁面對清除流道形成二次流共同作用導致砂塵分離效率的下降。

2) 清除流道進口回流渦尺度隨SCR的增大而減小，并更靠近外壁，這說明回流渦主要受SCR的影響，隨著SCR的增大，砂塵分離效率也隨之提高。

3) 在試驗流量范圍內，回流渦尺度僅與SCR有關，與進口流量無明顯的相關關系，這導致小粒徑顆粒可能難以通過提高速度來提高分離效率。

本文的測試顯示出清除流通道流動典型特征，說明了回流渦的存在是小粒徑顆粒難以分離的原因之一。該流場試驗結果可以進一步為其流動數值模擬提供比較依據，并為其結構優化設計提供參考。

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王彤女，博士，副教授。主要研究方向：葉輪機械內部流動研究和設計。

Tel.: 021-34206871

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PIVtestandflowanalysisofscavengepassageininertialparticleseparator

WANGTong*,SUNLiangliang,SHAOYuchang

GasTurbineResearchInstitute,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China

Theinternalflowfieldofaninertialparticleseparatormodelistestedbythetechnologyofparticleimagevelocimetry(PIV),andthestructurecharacteristicsoftheflowfieldisanalyzed.Accordingtotheexperimentalresults,anobviousseparatedflowcanbefoundneartheentranceofthescavengeflowpathalongdifferentheights,andthebehavesdifferentlywithdifferentparameterscavengecoreratio(SCR,14%to20%)andinletflowrate.Theexistenceoftheseparatedflowisoneofthereasonsthatresultthelowseparationefficiencyofthesmallsizeparticles.Experimentalresultsshowthatthesolidwallhasgreatinfluenceonthescaleoftheseparatedflow,andtheclosertothewall,thebiggerthebackflowvortexis.WhentheSCRincreases,thescaleoftheseparatedflowgetssmaller.Withtheincreaseoftheinletflowrate,thereislittlechangeofseparatedflowscale.ItisshownthattheinternalfluidfieldandtheseparatedflowscalearemainlydeterminedbytheSCRparameter.Theresultscanprovidereferenceforthenumericalsimulationandimprovementoftheseparatorstructure.

inertialparticleseparator;scavengepassage;particleimagevelocimetry(PIV);scavengecoreratio(SCR);separatedflow

2015-10-13；Revised2015-11-16；Accepted2015-12-29；Publishedonline2016-01-251104

NationalNaturalScienceFoundationofChina(51276108)

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2015-10-13；退修日期2015-11-16；錄用日期2015-12-29； < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2016-01-251104

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王彤， 孫亮亮， 邵昱昌．慣性粒子分離器清除流道PIV測量與分析J．航空學報,2016,37(10):2961-2969.WANGT,SUNLL,SHAOYC.PIVtestandflowanalysisofscavengepassageininertialparticleseparatorJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(10):2961-2969.

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10.7527/S1000-6893.2015.0364

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A

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