跨聲速葉柵葉片快速響應PSP測量研究

張 雪衷洪杰王 猛趙 民

(中國航空工業空氣動力研究院,沈陽 110034)

0 引 言

空氣動力學實驗中,表面壓力測量是最為基礎和重要的內容之一。壓力敏感涂料(Pressure Sensitive Paint,PSP)是一種新型的非接觸測壓技術。與傳統的測壓孔技術相比,具有如下優點:①PSP是全局測量技術,可獲得高分辨率的表面壓力分布[1]；②受模型結構限制小,能夠對翼尖、舵面等難于布置測壓孔的區域實現測量[2]；③PSP技術無須加工專用的測壓模型,可大幅節約周期與經費。20世紀90年代以來,PSP技術已廣泛應用于國內外的生產型高速風洞實驗中[3-4],并具有較高的成熟度。但目前高速風洞常用的壓力敏感涂料,由于不同的配方、噴涂厚度及濃度,其響應時間可高達幾百毫秒甚至幾秒,無法滿足非定常流動測量的需要,因此近年來,對快速響應PSP的研究成為了焦點[5]。

快速響應PSP測量通常基于具有表面多孔特性的快速響應PSP涂料,以實現與氣流接觸面積的增大。目前采用的涂料主要包括薄層色譜板[9]、陽極化鋁表面[10-11]、陶瓷聚合物[12-13]、三丙硅基丙炔(TMSP)聚合物[14]和含氟丙烯酸酯(FIB聚合物)[15]等。近十幾年來,美國、日本和歐洲的眾多研究機構對快速響應PSP測量的技術研究和發展應用開展了大量工作[5-7]。劉天舒通過對涂料表面結構的分析建立了涂料響應時間模型；Schairer通過對快速響應PSP的信噪比與頻響特性的分析給出了最優涂層厚度的經驗估計[8]；Sakaua等對發光基團的使用過程進行了研究[16],目前該技術已應用于非定常激波運動、聲學診斷[19-20]和轉子葉片氣動力等研究；Fujii等使用陽極化鋁快速響應PSP對激波繞圓柱過程中的相互作用[17]進行測量；Mark等研究了激波衍射現象[18]；Disotell等使用陶瓷聚合物涂料對旋翼葉片完成了快速響應PSP測量,獲得了葉片表面壓力隨迎角的變化[21]。Nakakita等對跨聲速火箭整流罩非定常流展開測量[22]。Timothy等使用快速響應PSP技術研究了碰撞表面的非定常壓力分布及共振模態[23]。

國內對PSP相關研究工作主要集中于常規PSP,包括涂料的研制、性能校準和穩態測量[24-26],對快速響應PSP測量技術研究相對較少:主要為涂料的研制[27]以及該技術的系統綜述性研究[28-29],航天空氣動力技術研究院對圓柱繞流的非定常壓力進行了快速響應PSP測量研究[30]。近年來,中航工業空氣動力研究院開展了內流領域的非接觸測量技術研究,已將常規PSP技術應用于跨聲速葉柵葉片表面壓力的穩態測量[31]。為了進一步開展發動機內流中非定常氣動特性的研究,本文開展了葉柵的快速響應PSP技術應用研究工作,包括對涂料動態特性的測量,以及在跨聲速葉柵實驗中的應用情況。

1 涂料及性能標定

壓敏涂料測量原理與熒光分子的氧猝滅過程相關聯[1]。由于壓力正比于空氣中的氧分壓/濃度,所以PSP的發射光強隨空氣壓力的增大而減小。而涂料的響應時間由熒光物質的發光壽命和氧分子在PSP涂層中的擴散時間決定,由于鉑基卟啉 (platinum mesotetra(pentafluorolphenyl)porphine-Pt TFPP)、鄰菲羅啉氯化釕(tris(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)ruthenium(II)bis(hexafluorophosph-ate)-Ru(dpp))等常用PSP熒光物質的發光壽命遠小于氣體分子在涂層中的擴散時間,因此對涂料的研究主要是如何提高氧在涂層中的擴散速度。

從擴散方程可以得到氧在均勻PSP涂層中擴散時間正比于涂層厚度h的平方[1,5-7]:τdiff∝h2/D m。其中,D m為氧在涂層中的擴散系數。因此可以通過減小涂層厚度來縮短涂料的響應時間。但是在進行動態測量時,光源照明與相機曝光需要在短時間內完成,涂料厚度的減小會造成光強下降,影響信噪比與測量精度。因此需要通過提高涂層表面的孔隙率增大涂料表面積,以提高氧分子的擴散速度,同時增強激發光在涂層中的散射,增強信號強度。

本次實驗使用的快速響應PSP涂料是ISSI公司提供的Turbo FIB涂料,該涂料的主要成份包括FIB聚合物、Pt TFPP探針分子和二氧化鈦(Titanium Dioxide-TiO2)顆粒。其中Pt TFPP是PSP涂料中常用的熒光材料,其吸收譜的中心位于400nm,發射譜的中心位于650nm；FIB為含氟的透氧高分子聚合物,能很好地降低熒光探針的溫度效應；而TiO2顆粒可以有效提高涂料表面的孔隙率。因此該類涂料在提高時間響應的同時能夠保持較低的溫度敏感度,從而降低溫度不均勻性給測量帶來的誤差。利用校準腔在10～25℃和20～180k Pa范圍內對涂料進行性能校準。圖1給出了該涂料的溫度-壓力-光強特性曲線,Iref和pref分別是參考條件下的發光強度和壓力。在標定范圍內,溫度靈敏度低于0.36%/℃,而壓力靈敏度高于72%/100k Pa。

圖1 涂料的Stern-Volmer關系圖Fig.1 The Stern-Volmer plots for Turbo FIB-PSP

利用激波管測量裝置對涂料的響應時間進行測量,激波管工作原理如圖2所示。該激波管的橫截面為84 mm×84 mm的矩形,驅動段長500 mm,被動段長2100 mm。驅動段與被動段的壓比為7,驅動段與被動段間的隔膜由于壓差作用爆破形成運動激波。在激波管的被動段管壁上安裝動態壓力傳感器與PSP涂料試件,使用400 nm波長的激光器對PSP試件進行照射,激發光信號通過濾光片后由光電倍增管采集。圖3為Turbo FIB涂料的時間響應,上圖為脈動壓力傳感器測得的壓力躍升變化,下圖為光電倍增管所采集的Turbo FIB涂料的光致發光信號。可以看出動態壓力信號約從1.02 ms開始階躍上升,此時對應激波管的隔膜爆破時刻,歷時約0.07 ms動態壓力信號躍升至最大,而后壓力漸穩定。隔膜爆破時PSP試件的光電信號約為3.015 V,歷時約2.5 ms后PSP的光電信號基本穩定在2.74 V,由壓力躍升產生的光電信號變化量約為0.275 V。定義涂料響應時間τ為光電信號降幅達到總降幅的90%的所需時間,可得涂料響應時間約為0.77 ms。

圖2 激波管示意圖Fig.2 Schematic of shock tube

圖3 涂料的時間響應Fig.3 Time response of Turbo FIB-PSP

2 實驗裝置與測量系統

2.1 實驗設備

實驗在中航燃氣渦輪院(現中航發燃氣渦輪研究院)的SB301超、跨聲速平面葉柵風洞完成。該風洞是一座暫沖式跨、超聲速平面葉柵實驗器,由氣源站供給高壓空氣,空氣經凈化、干燥后貯存于貯氣罐中。風洞的穩定工作時間大于4分鐘,來流總壓波動小于0.3%。實驗段工作轉盤可以在20°～90°范圍內轉動,實現進口氣流角的變化。

實驗在某壓氣機平面葉柵中開展,幾何參數見表1,其中角度均以葉柵額線為基準。葉柵葉片為鋼制,快速響應PSP涂料直接噴涂在清潔后的葉片金屬表面。葉柵的右柵板為有機玻璃,可透光進行照明與拍攝；左柵板為鋼制,葉片表面測壓孔引出管與噴射縫管路從左柵板引出。

表1 平面葉柵實驗件幾何參數表Table 1 Geometric parameters of cascade

為了在葉片表面實現可控的周期壓力變化,在一片葉片的葉背表面0.165弦長、展向中央位置開設10mm×0.5mm的噴射縫,葉片結構如圖4所示,并通過管路與脈沖氣流激勵器連接,如圖5所示。脈沖氣流發生器由形成引流孔的活塞式氣缸構成,接入高壓空氣源后,活塞在一個運動周期內對氣流形成一次通斷從而產生周期性脈沖氣流,通過變頻電機對脈沖氣流的頻率進行控制,通過調節氣源壓力對脈沖氣流的壓力進行控制。激勵器出口氣流的實測壓力曲線如圖6所示,可見脈沖噴流效果較接近于方波脈動。

圖4 葉片結構圖Fig.4 Structure diagram of blade

實驗中取來流馬赫數范圍為0.4～0.8,葉片進口氣流角37.7°～45.7°。噴流脈沖頻率設置為1～6Hz。

圖5 噴射縫與脈沖氣流激勵器Fig.5 Jet slot andpulse flow actuator

2.2 測量系統

快速響應PSP測量系統由激勵光源、時序控制器、相機和數據處理軟件構成。本實驗采用的快速響應PSP測量系統與圖7中所示的常規PSP測量系統類似。不同的是,動態測量需要在短時間內完成光源的照明和圖像采集。實驗同時使用紅外相機從葉柵下游對葉片表面的溫度分布進行監測。

圖6 激勵器出口氣流脈動Fig.6 Flow pulsation on export of actuator

圖7 常規PSP測量系統Fig.7 Conventional PSP measurement system

(1)硬件系統。光源選用的是ISSI公司的水冷式LM2XX-DM型LED光源,該光源激發光的中心波長為400nm。在光源上安裝了聚光燈罩,可將照明光強提高約2.5～3倍。圖像采集使用PCO.2000相機,通過相機內部信號對光源進行同步觸發。PCO.2000相機的工作幀率設為8.26fps,曝光時間4ms,圖像像素為500×300,葉片實際有效分辨率為亞毫米級,每個實驗狀態連續采集的圖像幀數不低于150幀。

葉柵通道內空間較為狹小,采用如圖8所示的側視照明與采集光路布置。根據實驗現場環境、葉柵葉片位置與表面涂料輻射光強等對相機像素、光圈、曝光時間等參數進行設置。

(2)數據處理。數據處理采用的是自主開發的PSP光強法圖像處理程序,通過實驗圖像和參考圖像的比值來修正光照、涂料噴涂等不均勻性的影響,獲得壓力結果[1]:

其中系數C1、C2和C3由先驗標定獲得。

由于氣動載荷導致模型位移和變形使得實驗圖像和參考圖像不重合,如不能合理修正,在計算壓力時會導致較大的誤差,因此在壓力計算前首先需要對圖像進行配準[32]。進行PSP測量前需要在模型表面設置一些標記點,以確定參考圖像與實驗圖像的對應關系,用于進一步進行壓力場的計算。

3 結果與分析

3.1 表面溫度說明

根據涂料的性能標定可知Turbo FIB快速響應涂料的溫度靈敏度很低,且通過紅外熱像儀監測葉柵風洞中的葉片表面溫度變化很小,故本次實驗處理未對葉片進行溫度補償修正。

3.2 壓力平均幅值場

表面非定常噴流激勵對葉柵表面平均壓力分布帶來一定影響。首先對單幀圖像進行處理獲得其對應的表面壓力分布,再對各幀圖像通過配準對齊,而后對不少于150幀的圖像求平均獲得壓力平均場。圖9給出了氣流激勵脈沖頻率6 Hz,進口氣流角37.7°時,進口馬赫數分別為0.6、0.7、0.8時,葉片吸力面的PSP測量平均場結果。可以觀測到射流對壓力分布的影響:在沒有射流縫的兩側區域具有典型的翼型壓力分布:在葉背大彎度處(弦長10%～30%位置)由于氣流的加速出現的低壓區；在噴射縫出口上游由于噴流的阻擋使得來流減速形成局部高壓區域；而在噴流縫的下游沿流向形成低壓條帶,這符合典型的橫向射流的壓力分布特征。Ma＝0.8時,射流下游較大范圍區域壓力相對較低,這可能是噴流與激波聯合作用導致了低壓區域的增大。通過吸力面弦向壓力曲線也看出大約在10%～30%弦長區間有明顯的低壓區,Ma＝0.8時在50%弦長位置后壓力基本保持平穩。

從圖9中可以看出壓力場存在明顯的展向不對稱。由于射流縫隙處于葉高的50%對稱位置,從葉片表面壓力分布看沒有明顯的氣流偏轉,且不對稱區域從噴射縫前方的葉片前緣開始,并呈現透視成像效果,所以該不對稱性主要應該是由大角度的不對稱光照引起的。

圖10給出了馬赫數0.75條件下,葉片的進口氣流角分別為45.7°、41.7°、37.7°時,葉片吸力面的平均場壓力分布。這時葉片沿弦向位置從低壓到高壓的階躍反映了葉片上的激波位置,隨著進口氣流角的減小,低壓到高壓的階躍位置向葉片前緣移動。

圖9 平均場分布圖與弦向壓力曲線Fig.9 Mean field images and chordwise pressure profile

圖10 馬赫數0.75時的平均場壓力分布Fig.10 Mean field images for Mach 0.75

3.3 單點時頻分析

為了進一步分析PSP對動態壓力變化的測量能力,選擇葉片表面兩個固定點進行時頻分析。如圖11(a)所示:＃1位于噴射縫中線靠近出口位置,＃2為第一個測壓孔位置。圖11(b)、圖11(c)給出了葉片進口氣流角45.7°、進口馬赫數0.6時,改變脈沖噴流的壓力與頻率(200 k Pa、1 Hz和150 k Pa、3 Hz),＃1位置PSP測量壓力的逐幀變化及其頻譜。可以看出該點壓力呈現周期性脈動,譜峰對應頻率分別為1 Hz和3 Hz,與噴流脈沖頻率一致。

圖11 噴流動態圖Fig.11 Jet flow dynamic plots

圖12(a)比較了進口馬赫數0.8、噴流頻率1 Hz時,＃2位置動態壓力傳感器數據與PSP結果的動態變化。兩種測量結果的動態周期變化相一致,但是與測壓孔處的動態壓力傳感器數據比較,PSP測量結果存在一定的平移偏差。針對該測壓孔,以脈動周期內的動態壓力均值為數據的時序真值,則PSP的均方根偏差為4.40k Pa,使用測壓孔均值時序對PSP進行一階擬合修正,圖12(b)為修正后的比較,此時PSP的均方根偏差為1.15 kPa。

圖12 測壓孔與＃2位置PSP結果比較Fig.12 Comparison of pressure taps and PSP

3.4 壓力脈動幅值場

壓力脈動幅值場通過對配準對齊后的150幀表面壓力分布圖像進行標準差計算獲得,以反映葉片表面不同位置壓力幅值的脈動(離散)程度。圖13顯示了馬赫數0.6、0.7、0.8、進口氣流角45.7°、脈沖頻率1 Hz時葉片的壓力脈動場。該結果反映了馬赫數變化對脈動場的影響:當馬赫數為0.6時,噴射縫下游方向有明顯的噴流脈動帶,該脈動帶展向不對稱,這是可能是因為噴流經管路由葉片左側的葉型榫頭引入,使得在噴射縫出口具有一定的氣流偏角以及光照角度的原因；馬赫數增大到0.7時,噴流脈動帶的脈動有所減弱,但是在靠近葉片后緣位置脈動范圍增寬；當馬赫數增大到0.8時,噴射縫下游低壓到高壓的階躍位置附近則出現了較大范圍的楔形脈動區域,這時葉片表面的壓力脈動主要由低壓到高壓的階躍位置的變化導致。

圖14顯示了馬赫數0.8、脈沖頻率6 Hz、葉片氣流角為45.7°、41.7°、37.7°時,葉片表面的脈動壓力分布。其中葉片氣流角45.7°時噴流表壓為130 k Pa,氣流角為41.7°、37.7°時噴流表壓為150 k Pa。對比可以看到改變氣流角對噴射縫下游楔形脈動區域分布的影響,隨著氣流角減小,脈動區域隨低壓到高壓的階躍位置一同向葉片前緣移動,且脈動楔形沿展向擴張。

圖13 脈動場分布Fig.13 Pulsation field

圖14 脈動場分布Fig.14 Pulsation field

4 結 論

本文通過人工激勵的方式模擬高速葉柵中的周期非定常流動,研究了快速響應PSP涂料在高速葉柵葉片表面動態壓力測量的實驗技術。實驗觀測數據處理結果表明:

1)快速響應FIB-PSP具有較低的溫度敏感度與亞毫秒量級的響應時間,可用于100 Hz以內非定常流動特征的測量。葉柵風洞試驗顯示涂料具良好的附著性,可用于跨聲速測量,能夠較為準確地反映局部動態壓力變化；

2)快速響應PSP技術能夠以高空間分辨率動態地反應葉柵葉片表面的壓力分布的主要特征,包括噴射縫下游存在相對低壓的噴流帶,葉片表面產生的低壓到高壓的階躍等。隨進口氣流角的減小,該階躍向葉片前緣移動,噴流在下游形成低壓區域,并在高馬赫數時導致較大范圍的分離。

3)快速響應PSP可以準確地捕捉脈沖激勵的頻率,但測量幅值與測壓孔數據比較,PSP測量結果存在一定偏差,平均偏差大于常規穩態PSP；且基于光強法的快速響應PSP動態測試壓力幅值場分布存在明顯的展向不對稱性。其原因包括:①大角度光照帶來的測壓孔位置光強較弱,造成信噪比下降；②不同于常規穩態雙份量PSP,參考狀態下葉片表面溫度與實驗過程中葉片表面溫度存的差異、激勵光源的光強變化、涂層厚度以及探針分子濃度等都會對單分量快速響應PSP帶來更大的系統誤差；③激勵光多次反射形成的背景光強的影響。

本文實驗是采用光強法進行的快速響應PSP動態測試。由于光致發光壽命與壓力之間不受激勵光照射強度影響[1],因此在日后的快速響應PSP動態測試中,可以通過發展基于發光壽命的測量方法來避免或降低激勵光源照射不均勻、光強變化等帶來的測量誤差。

致謝：本文工作由民用飛機專項科研支持,實驗工作由中航工業空氣動力研究院牽頭、與中國燃氣渦輪研究院(現中航發燃氣渦輪研究院)合作完成,感謝燃氣渦輪院石小江、熊兵、馬昌友等對本次實驗給予的幫助支持。