PIV技術在超聲速氣流低熱固相反應合成系統(tǒng)流場測量中的應用

左 金，陳 植，林 俊，林學東，郭秋亭，范長海

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速空氣動力研究所，四川 綿陽 621000)

粒子圖像測速技術(PIV)是在流動顯示的基礎上，充分吸收現(xiàn)代計算機技術、光學技術以及圖像分析技術的研究成果而成長起來的最新流動測試手段[1-2]，是一種基于流場圖像互相關分析的二維流場非接觸式測試技術[3]。

PIV測試系統(tǒng)主要由光源系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和圖像分析系統(tǒng)等組成。PIV技術的基本原理[4-5]是在流場中散布跟隨性好、散光性好且比重與流體相當的示蹤粒子，使其與流場同步運動，以粒子速度代表所在流場內相應位置處流場的流度。

近年來光學非接觸測量技術在超聲速流動測量中得到了較為廣泛的應用，其中粒子圖像測速技術(particle image velocimetry)有長足的發(fā)展，它突破傳統(tǒng)單點測量限制，可瞬時無接觸測量流場中一個截面上的二維速度分布，并且有較高的測量精度，在諸如超聲速射流[6]、剪切層流動[7]、超燃沖壓內流[8]以及諸如拐角流、尖劈附著激波和圓柱脫體激波[9-10]等超聲速流場測量中得到了很好的測量結果。本文利用PIV技術對超聲速氣流低熱固相反應合成系統(tǒng)流場進行試驗研究，探索其流動規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗由測試系統(tǒng)和超聲速氣流低熱固相反應合成系統(tǒng)兩部分組成，實驗系統(tǒng)示意如圖1所示。超聲速氣流低熱固相反應合成系統(tǒng)由微波加熱裝置、轉盤式送粉器、反應器、自動取樣器、渦輪分級機、濾筒式收集器、引風機、反應物氣力輸送裝置等組成，如圖2所示，是通過利用特殊型面設計的超聲速噴管將物料加速到超聲速，在物料撞擊固定靶的時候，提供給反應體系足夠的動能來實現(xiàn)能量轉化進而實現(xiàn)化學反應。本實驗研究的內容是測量反應物粒子被超聲速氣流加速后撞擊靶頭前的速度。

圖1 PIV實驗系統(tǒng)示意圖

圖2 低熱固相合成系統(tǒng)

1.2 流場測量原理

流場測量的主體是基于常規(guī)粒子圖像測速(PIV)系統(tǒng)。PIV是一種先進的定量流場測量技術，其基本原理是利用持續(xù)時間極短(納秒量級)的激光脈沖將撒布有良好跟隨性示蹤粒子的流動區(qū)域照亮，并利用數碼相機對示蹤粒子進行拍攝，再通過圖像處理獲得速度場。后期的圖像處理中，首先將圖像按照分辨率要求劃分成若干個計算區(qū)域，再對相鄰兩幀圖像中的粒子圖像進行互相關處理，從而得到各個問詢窗口內多個示蹤粒子對的平均位移量(通過地面校準獲得像素與實際距離的對應關系)。由于兩幀激光脈沖的時間間隔已知，則可以計算出每個問詢窗口內的速度矢量，進而得到整個拍攝區(qū)域內的速度場結果。

當超聲速氣流低熱固相反應合成系統(tǒng)運行時，來流總壓、氣體質量流量、固相顆粒饋入量等參數被精確控制，內流道速度場近似于穩(wěn)態(tài)流動，因此常規(guī)PIV的反應速度和計算速度能夠滿足速度場實時監(jiān)測的需求。可以將常規(guī)的PIV裝置經過改造后移植到反應合成系統(tǒng)上，為了實現(xiàn)內流道速度場監(jiān)測，在反應器靶頭上游方向布置光學觀察窗口和激光布光窗口。

1.3 PIV系統(tǒng)組成

PIV系統(tǒng)主要包括CCD相機、雙楊氏激光器和時序同步器等：

(1)CCD相機：采用型號為4M3D1的CCD相機，分辨率為2048 pixels×2048pixels，最高采樣率15fps，采用Camera Link形式進行數據傳輸。

(2)雙楊氏激光器：本實驗使用一臺雙楊氏脈沖激光器，最大脈沖能量350mJ，波長532nm，工作頻率0～10Hz，穩(wěn)定性≤3%，脈沖寬度5ns。

(3)時序同步器：系統(tǒng)采用外置時序同步器進行控制，其最小時間精度250皮秒。

為了保證各個光學裝置的安裝精度，設計加工了測量平臺，圖3給出了測量平臺的工作原理圖，圖中帶綠色箭頭的代表測量區(qū)域的粒子成像光路。平臺由小型光學安裝平臺、小型光學升降臺、手動滑軌和一些附屬連接件組成。測量中，為了避免合成系統(tǒng)由于氣流高速運動產生的結構振動影響測量效果，光學安裝平臺放置在地面上，平臺上通過M5螺栓安裝小型光學升降臺，用于PIV相機的安裝和調整，此外，還裝有可無級手動調整定位的滑軌，用于安裝激光片光頭，可方便的調整激光面的角度和位置。測量平臺實物相片如圖4。

圖3 測量平臺的工作原理

圖4 測量平臺實物相片

1.4 PIV系統(tǒng)精度校驗

為了保證PIV實驗測量的精度，需要在正式開始測量之前,利用標準流場進行檢驗。為此，我們在Ma=4.2的超聲速風洞中開展PIV系統(tǒng)的整體測量精度試驗測量。

圖5為噴管出口的速度分布,結果表明在噴管出口的中心線具有均勻的流場。其他狀態(tài)的來流參數如表1所示,平均速度675.46m/s非常接近于理論速度685m/s,相對標準差則為 。

圖5 噴管出口速度的PIV測試結果

表1 噴管出口速度的計算值和測試值

2 結果與討論

實驗針對反應器入口氣流總壓分別為0.6,0.8,1.0,1.2,1.4MPa和1.6MPa開展PIV測量，測試對象為425μm硅粉粒子，測量區(qū)域位于撞靶前的光學窗口位置，視場20mm×5mm。對PIV結果，統(tǒng)一定義X軸指向流動方向，向右為正；Y軸指向測試面縱向，向上為正。

反應器入口氣流總壓為0.6MPa和 PIV粒子采用425μm粒徑硅粉時，PIV獲取的撞靶前粒子圖像和處理結果如圖6所示，425μm硅粉被高速氣流加速后，獲得的撞靶前平均速度約為320m/s。為研究氣流對不同粒徑顆粒加速效果，在相同條件下即反應器入口氣流總壓為0.6MPa時，PIV粒子采用20μm粒徑硅粉，PIV獲取的撞靶前粒子圖像和處理結果如圖7所示。對比425μm和20μm硅粉PIV測量結果可以看出，直徑越小的顆粒與氣流的跟隨性越好，在靶頭的繞流區(qū)域，粒徑更小的粒子更容易在高速氣流中散開。從速度云圖分析，粗細顆粒在撞靶前獲得的速度一致。因此，后面的實驗只使用425μm硅粉開展不同反應器入口總壓條件下的PIV測量。

圖6 425μm硅粉PIV測量結果

圖7 20μm硅粉PIV測量結果

通過實驗，在反應器入口氣流總壓變化時，425μm硅粉被高速氣流加速后的PIV測量結果如表2所示。

反應器入口氣流總壓為0.8MPa時，425μm硅粉被高速氣流加速后，獲得的撞靶前平均速度約為380m/s。

反應器入口氣流總壓為1.0MPa時，425μm硅粉被高速氣流加速后，獲得的撞靶前平均速度約為470m/s。

反應器入口氣流總壓為1.2MPa時，425μm硅粉被高速氣流加速后，獲得的撞靶前平均速度約為500m/s。

反應器入口氣流總壓為1.4MPa時，425μm硅粉被高速氣流加速后，獲得的撞靶前平均速度約為520m/s。

反應器入口氣流總壓為1.6MPa時，425μm硅粉被高速氣流加速后，獲得的撞靶前平均速度約為550m/s。

表2 不同氣流壓力的PIV測量值

3 結論

針對超聲速氣流低熱固相反應合成系統(tǒng)，采用20μm和425μm硅粉，通過改變反應器入口總壓，利用PIV測量獲得了固相粒子通過超聲速氣流加速獲得的撞靶前速度，主要結論如下：

(1)實現(xiàn)了微小超聲速射流的粒子圖像測速，得到了整個流場的速度場，能夠準確地測量流場的實際情況。

(2)不同粒徑的硅粉粒子(20μm和425μm)在靶頭前獲得的速度沒有明顯的差別，原因在于在測試區(qū)域內氣流速度沒有發(fā)生突變(比如激波或物面阻礙等)，粒子經過上游一定距離的加速后，均能較好地跟隨氣流，顆粒獲得了近似于氣流的速度，驗證了超聲速氣流低熱固相反應合成系統(tǒng)顆粒加速管道設計的合理性。

(3)從實驗結果來看，隨著反應器入口氣流總壓的提高，顆粒撞靶前獲得的速度增大，當總壓大于1.2MPa后，粒子運動速

度能達到在500 ～550m/s。入口總壓在設計點1.6MPa、流場馬赫數為3.0附近時，顆粒速度達到550m/s。在實際應用時，可以通過增加反應器入口氣流總壓來提高顆粒撞靶前的速度，但同時也會消耗更多的能量，因此，在使用時也應當充分考慮與固相反應合成系統(tǒng)配套使用的氣源。