PIV技術在3通道擴壓器試驗中的應用

趙 鵬，張玉光，張寶華

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

擴壓器是燃燒室的重要部件之一，近年來隨著高推重比航空發動機的研制，高效的燃燒室擴壓器技術備受關注。隨著燃燒室進口馬赫數的不斷提高，燃燒組織方式的改變，頭部進氣量的增大，對擴壓器設計提出了新的要求[1-2]。3通道擴壓器可以看作是短突擴壓器的發展，前置擴壓段內設有2個分流楔板是其主要結構特征。該類型擴壓器不僅縮短了結構長度，減小了突擴損失，而且可有效減少前置擴壓器的流動分離，目前GP7200、GEnx及F136發動機燃燒室均已采用3通道擴壓器。但國內對此研究甚少[3-5]。

近年來，非接觸式瞬態流場測試（Particle Image Velocimetry，PIV）技術已大量應用于燃燒室內冷態流場試驗以及熱態燃燒試驗之中，不同于常規試驗測量中所使用的總壓探針、總溫探針和壁面靜壓等手段，該技術有效解決了常規試驗中單點測量以及探針對流場的干擾問題，尤其在新型擴壓器及燃燒室的試驗探究中起到了至關重要的作用。早期Fishenden和Steven研究了突擴擴壓器在較大范圍內的性能參數，分析了前置擴壓器幾何形狀的影響[6]；A.Panduranga Reddy等利用PIV技術研究了突擴燃燒室內的流場特性，針對旋流的特性對不同區域流場進行分析[7]；李昊等利用PIV技術對2種不同突擴比燃燒室的冷態流場進行試驗分析，研究表明突擴比的改變對燃燒室突擴面后的流場結構影響很小[8]；Prakash等研究了不同的燃燒室形狀對擴壓器性能的影響，試驗獲得了擴壓器壁面靜壓[9]；趙堅行、何小民等論述了擴壓器數值模擬的方法，并測量了擴壓器的壓力特性[10-11]。

目前，國外已經將PIV技術大量應用于擴壓器及燃燒室內流場分析中，得到各類擴壓器的性能數據，但國內較少針對3通道擴壓器等先進擴壓器開展PIV技術的試驗研究。本文基于3通道擴壓器的2元試驗件，利用PIV技術開展擴壓器內冷態流場試驗，觀察并記錄每個狀態點擴壓器內流場詳細信息。

1 試驗件及測試裝置

1.1 試驗試件

該2元多通道擴壓器試驗試件主要由前置擴壓器和火焰筒頭部帽罩模型2部分組成，而前置擴壓器由擴壓器通道與分流楔板組成，如圖1所示，圖中入口、間隙、內部、中部和外部尺寸分別由Le、Lc、Li、Lm、Lo表示。根據國內外研究資料以及前期大量的計算工作，最終確定3種前置擴壓器方案和4種頭部帽罩方案，本文通過PIV技術研究不同前置擴壓器與頭部帽罩組合下的流場特性，優選出最佳組合方案。前置擴壓器依據出口高度的不同分為前置擴壓器A、B、C，而頭部帽罩依據突擴間隙的不同分為頭部帽罩A、B、C、D，以上7種部件的關鍵尺寸與擴壓器入口尺寸的比值見表1。試驗試件上設置光學通路和相機采集觀察窗，可對圖 1 中“Lc”區域（即前置擴壓器出口）進行2維流場測量。此外，在擴壓器試驗件的進、出口處安裝必要的壓力采集接口，用來監視試驗狀態與分析PIV結果。

圖1 2元3通道擴壓器結構剖面

表1 不同部件關鍵尺寸參數

1.2 PIV系統

PIV技術是在流場顯示基礎上利用不斷高速發展的計算機圖像處理技術對流場顯示進行定量化測量，從而實現對流場的瞬態測量。PIV技術在本質上是圖像分析技術的1種，采用時間間隔很短的2個脈沖光源照亮所需要測量的流場，利用CCD將所照明的流場中的示蹤介質記錄下來，利用計算機進行圖像處理得到速度場的信息[12-13]。

本文采用的PIV系統是TSI公司的最新圖像處理技術、CCD技術以及PowerView技術，其主要由照明光源、圖像采集以及數據后處理等系統組成，結構如圖2所示。照明光源系統包括1臺雙脈沖YAG激光器、片光光學元件、光束調節鏡組與同步控制器，圖像采集系統最小禎間隔約為800 ns，頻率可達15 fps，其分辨率為2048×2048 pixel，可保證在所有模式下的灰度都為12位，運行模式有Free Run/Triggered Exposure/Frame Straddle 3種可供選擇。后處理系統主要由INSIGHT-NT分析軟件與TECPLOT數據可視化軟件組成，該系統有自相關、互相關、空間分辨率超細化分析、可適性算法與高速顯示等諸多算法，支持并行處理，支持基于Intel和Alpha處理器的工作站。要增加查問域額的測量精度時，該系統有4種辦法來增強相關的峰值：利用軟件包內的圖像處理程序提高圖像質量；靈活地增加查問域的尺寸，或對各矢量自動調整以優化空間分辨率和測量精度；查問域可以為正方形或長方形以補償高速度梯度；圖像象素可以為正方形或長方形，以適應不同的CCD。

圖2 PIV系統結構

2 試驗方案

2.1 試驗設備

試驗在中國航發沈陽發動機研究所試驗器上進行。試驗器能力如下：設計空氣壓力為4.0 MPa，空氣溫度為20～600℃，空氣流量為0.1～12 kg/s。設備原理如圖3所示。試驗設備由進排氣系統、冷卻水系統、PIV系統、電氣及控制等系統組成。試驗時對試驗件進、出口的壓力、溫度與空氣流量數據進行采集。

圖3 試驗設備原理

2.2 示蹤粒子投放

示蹤粒子的投放是PIV過程中的重要步驟，粒子的濃度和均勻度起著決定性作用。濃度太高會影響流場，濃度太低又會降低測量的信噪比，無法獲得有效速度場；示蹤粒子的均勻性比較難控制，在本試驗中試驗件為多通道擴壓器，該特殊結構會使流場產生多處回流區，且壁面處會產生較大的速度梯度，同樣會給圖像采集帶來困難[14-15]。

基于以上論述，本文設計了1種流化床式粒子釋放器，氣體從該發生器底部進入，使示蹤粒子流化，再通過頂部的孔口排入管道，結構如圖4所示。通過控制粒子釋放器的壓力來調整粒子釋放濃度，并在每個試驗狀態的間歇加大試驗件進氣量，以便吹掃滯留在試驗件壁面的示蹤粒子。

圖4 PIV粒子釋放器結構

2.3 PIV試驗誤差分析

本次試驗進行測量不確定度分析。根據PIV的測速原理，流場速度測量公式為

式中：α為放大比例；ΔX為像素位移；Δt為時間間隔；δμ為3維速度所引起的測量誤差。

不確定度分析見表2、3。表中μ（Xi）為標準不確定度；ci為靈敏度系數；μc為合成不確定度。計算合成不確定度主要依據標準不確定度與靈敏度系數的乘積來計算，首先根據誤差源確定μ（Xi）值，再將標準不確定度與靈敏度系數相乘并合成得到初始μc，通過的結果合成最終的誤差。具體取測試區域為150×40 mm2，相同流速為50 m/s，參考點距離為40 mm，參考圖像距離為498 pixel，放大系數α=0.0803 mm/pixel，時間間隔Δt=0.01 ms，目標點距離為 500 mm，ΔX=16 pixel。依據以上數據在試驗設備手冊中對誤差系數進行選取。

2.4 試驗項目

為了滿足未來先進結構擴壓器對試驗技術的需求，在常規流阻、流量分配試驗的基礎上，將非接觸測試技術有針對性地應用于擴壓器內流場分析，以得到擴壓器特性試驗參數，并拓展擴壓器試驗技術，形成整套技術標準流程。

表2 不確定度分析1

表3 不確定度分析2

針對前置擴壓器在同一馬赫數、不同流量分配下的流場特性，設計了幾種工況記為A組試驗，見表4。對于頭部帽罩，研究其在不同馬赫數下流場的特性，同樣設計了幾種工況記為B組試驗，見表5。應用PIV技術，觀察并記錄每個狀態點擴壓器內流場詳細信息，包括速度的大小和方向、氣流分離、漩渦等特征，經過Insight軟件處理，得到流場云圖。

表4 A組試驗狀態

表5 B組試驗狀態

3 試驗結果及分析

選取頭部帽罩A作為基準結構，分別對前置擴壓器A、B、C在同一進口馬赫數、不同出口流量分配下，采集流場信息，結果如圖5～7所示。每幅圖中從左到右4個流場云圖分別對應表4中序號1～4的出口流量分配比例狀態。

圖5 前置擴壓器A在不同出口流量分配比例下的2維流場

圖6 前置擴壓器B在不同出口流量分配比例下的2維流場

圖7 前置擴壓器C在不同出口流量分配比例下的2維流場

對比這3個前置擴壓器出口流場云圖發現，中心射流的速度明顯要高于內、外環射流速度，外環射流速度最小，且擴壓器B、C的前置擴壓器內、外環出口流速明顯高于擴壓器A的，另外擴壓器C的外環出現了射流較早附著帽罩的情況。在2股射流之間，存在明顯的回流區，對比回流區流場發現，擴壓器B的上、下2個回流區速度不一致，下部回流區速度比上部回流區的約高10 m/s，而擴壓器C的出口回流區寬度較為不統一，下部回流區比上部回流區約寬9 mm，前置擴壓器A表現出了明顯優勢。

以前置擴壓器A為基準，得到不同頭部帽罩在不同進口馬赫數下的流場，如圖8～10所示，每幅圖中從左到右流場云圖依次對應表5中試驗序號1～5。

圖8 頭部帽罩B在不同Ma下的2維流場

圖9 頭部帽罩C在不同Ma下的2維流場

圖10 頭部帽罩D在不同Ma下的2維流場

從圖中可見，頭部帽罩D中前置擴壓器出口氣流速度高于其他試驗件的，而頭部帽罩C、D中射流之間的回流區寬度不均，提高了射流附著情況發生的概率。對比頭部帽罩A、B在進口馬赫數為0.290、3個出口氣流分配比例分別為0.290、0.365和0.345條件下的結果，發現其流場特性較為接近，而頭部帽罩A的回流區流速更為均勻，表現出稍好的性能。

從PIV測試結果中可見，無論在哪種組合形式下，流場的結構并沒有發生較大改變，流場呈3股射流形態分布，且在2股射流之間存在明顯的回流區。總進氣量及Ma保持不變，出口空氣量比例的改變并沒有對流場速度有太大影響。隨著進氣量及Ma的增大，流場速度有明顯的提高。通過PIV技術得到的試驗結果同時也驗證了傳統壓力場的測試結果，前置擴壓器A與頭部帽罩A表現出了稍好的性能。

在流阻性能試驗中，前置擴壓器A與頭部帽罩A在相同馬赫數下的壓力損失要低于其他型號的，如圖11、12所示，進一步證明了PIV試驗數據的可靠性。

圖11 不同頭部帽罩總壓損失隨Ma2變化對比

圖12 不同前置擴壓器總壓損失隨Ma2變化對比

4 結束語

通過對PIV技術與擴壓器試驗技術的探究，得到了關鍵參數對擴壓器內流場特性的影響，并對比了不同擴壓器的性能特征，得到了優選后的3通道擴壓器結構參數，當Lm/Le=0.7、Li/Le=Lo/Le=0.6、Lc/Le=1.82 時擴壓器性能最佳，并在接觸式測試方法與數值分析方法上得到了驗證。試驗結果表明，PIV技術在先進擴壓器流場測試方面是直觀且可靠的，可以為擴壓器最終結構優化與設計定型提供依據；本文將PIV技術應用于先進擴壓器的試驗研究，形成了成熟可靠的擴壓器試驗技術手段，可為國內擴壓器性能試驗方法標準的制定提供依據。

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