反推裝置葉柵外流場PIV測試

于忠強，李慶林，盛超，高超，叢長震

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

反推力裝置是民用和軍用大涵道比渦扇發動機的重要組成部分，其主要功能是通過改變發動機排氣流動方向來獲得反向推力，使飛機高效可靠地減速，顯著縮短飛機的著陸滑跑距離，達到剎車的效果。實現反推力的傳統方法主要是機械式，包括抓斗式、葉柵式和折流板式等。目前，幾乎所有先進的大型飛機都采用發動機反推力裝置來減速，其中，葉柵式反推器應用較廣。雖然這種反推裝置會增加質量和發動機設計復雜性，但還是以其獨有的集成度高、可靠性高、對不同的發動機工況適應性強等優點，在國外得到了較廣泛的應用。Trapp等通過CFD方法對反推力裝置葉柵結構等進行了評估，得到了優化的結構。相對于國外比較成熟的研究現狀，中國近年來也開始注重葉柵式反推力裝置的設計及試驗研究工作。

粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry，PIV）技術是一種非接觸無干擾的空間流場定量測量手段，是從20世紀80年代以來在流動顯示的基礎上，充分吸收現代計算機技術、光學技術以及圖像分析技術的研究成果發展起來的新一代流動測速技術。目前PIV測速系統已經廣泛應用于實際工程中對氣體、液體流場進行測量。

隨著PIV技術的發展，越來越多的國內外學者將該技術應用于葉柵流場測試。Post等利用PIV技術對靜止渦輪葉柵流場進行了研究；Suder測量了NASA37孤立轉子流場，研究了級環境下激波、間隙流等的相互影響；馬昌友等在暫沖式風洞中對高亞聲速平面葉柵采用PIV技術獲取了葉片槽道及出口尾跡流場；馬超等研究了動葉葉柵旋轉下的內流場，獲得了速度場和渦量場。但目前PIV技術在葉柵流場測試中的應用多以管路或風洞內部為主，而對反推力裝置葉柵出口外流場測試的公開報道很少。

本文以反推力裝置縮比模型試驗件作為研究對象，采用PIV測試技術對反推力裝置葉柵出口外流場開展了不同進口落壓比下的測試試驗。

1 試驗系統

1.1 試驗設備

反推力裝置葉柵外流場試驗在反推力裝置試驗器上開展。該試驗器最大供氣流量為60 kg/s，最高內涵供氣溫度為850 K，采用六分力測力臺架。支持正向排氣和反向排氣，正向排氣直接進入排氣筒，反向排氣直接排入試驗間，通過導流裝置將氣流導向廠房頂部排氣塔排入大氣。反推力裝置試驗器工作流程如圖1所示，詳細技術指標見文獻[18]。

圖1 反推力裝置試驗器工作流程

1.2 試驗件

試驗件根據相似準則采用1∶3縮比模型，結構如圖2所示。試驗件分為2個涵道，內涵氣流通過尾噴管軸向直排，外涵氣流通過反推葉柵與軸成一定角度反向沿圓周排出。在試驗過程中通過控制試驗件入口落壓比（總壓與環境之比）來調整試驗狀態，外流場測試試驗僅向外涵單獨供氣。

圖2 反推力裝置葉柵外流場試驗件結構

2 PIV測試系統

2.1 測試系統組成及原理

PIV系統的組成主要有光源系統、圖像采集系統、同步控制器、控制及采集軟件、計算機，如圖3所示。

圖3 PIV系統的組成

試驗中采用美國TSI公司開發的PIV系統及相應軟件INSIGHT 4G進行圖像采集及數據處理。PIV系統的工作原理是在流體中散播微細顆粒標記物，將反映標記物運動的圖像記錄下來，通過圖像處理和分析得到標記物在時間間隔Δ內的位移，從而得到流場速度。

2.2 數據處理方法

速度矢量的計算要靠圖像處理系統來實現，數據處理流程如圖4所示。PIV原始圖像被細分為許多正方形詢問區，采用互相關算法計算每一詢問區的速度矢量。數據后處理運算主要進行速度場光滑處理，校正錯誤匹配的影響。

圖4 數據處理流程

3 外流場測試試驗方案

3.1 防護裝置

PIV測試系統應用于管道內流場測量已日趨成熟，并且得到廣泛應用；但針對于本試驗外流場測試仍存在一定難點。試驗件氣流經由外涵葉柵出口直接排入周圍環境中，出口氣流存在較強氣動沖擊，還會帶來試驗現場振動。氣流的沖擊和現場的振動對于光學測試系統硬件是不可接受的，PIV系統也不例外，將導致測試硬件損壞或者無法采集到有效圖像。

在試驗方案中為解決氣流沖擊問題，根據試驗件的結構特點對激光器及相機的布置位置進行針對性設計，如圖5所示。在試驗件葉柵截面的正下方放置CCD相機；試驗件葉柵為左右對稱布置，在正上和正下2個位置無葉柵，因此該位置氣流沖擊相對較弱；激光器布置在試驗件的左后方，斜向45°發出激光片光照射待測流場區域。氣流經葉柵斜向前方排出，該區域氣流沖擊較弱。

圖5 激光器及相機布置

雖然對相機和激光器測試位置進行了設計，但氣流沖擊和現場振動仍無法全面消除。為徹底解決氣流沖擊和現場振動，設計相機及激光器防護裝置。防護裝置采用不銹鋼獨立盒式結構，將相機及激光器分別固定在其中，有效防止氣流沖擊，起到保護作用。在光學原件與盒式結構接觸固定位置采用隔振橡膠對二者進行隔離，有效防止現場振動對相機及激光器造成影響。根據光學測試的特殊性，在盒式結構處留有光學窗口以便激光片光射出，相機鏡頭可以接收入射光。為實現測試系統的調整及標定，防護裝置可在內部相機，片光源在垂直、水平、俯仰等多維度調整。

3.2 校準與修正

2維PIV測試系統通常采用相機軸線與測試平面垂直的方式布置，可以有效避免粒子位移量測試產生誤差。在試驗中為解決氣流沖擊問題，將相機軸線與測試面成一定角度布置，如果采用普通標定方式會帶來一定誤差。為此，采用軟件中off-axis標定方法，配合專用標定板標定，可以消除相機感光板與測試面不平行帶來的測試誤差。

3.3 示蹤粒子

PIV測試需要撒播作為流動示蹤的光散射粒子，該粒子既要能精確跟蹤與表征流動速度，又要有良好的散射特性并有足夠的信噪比。根據劉劍等的研究結果，選用0.3μm氧化鈦固體粒子作為示蹤粒子，在滿足跟隨性的前提下，具有更好的散射特性，能夠提高信噪比。采用流化床固體粒子發生器，配合壓縮空氣源播撒粒子，通過高精度調節閥門調節壓縮空氣量，進而實現粒子播撒量的調節和控制。

3.4 遠程控制及防護

試驗過程現場噪聲超過120 dB，測試人員無法在試驗現場工作，但是計算機與相機及其它光學設備之間數據傳輸及控制導線長度有限，無法實現遠距離控制及采集。為應對現場噪聲，同時解決計算機、同步器等設備免受氣流沖擊及示蹤粒子粉塵污染，增加遠程控制及防護系統，對計算機、同步器等進行封裝，并通過網絡在遠端進行PIV測試系統的控制，實現高噪聲環境下的外流場測試。

4 試驗結果分析

在試驗過程中在試驗件入口進行了總壓、總溫、空氣流量等測量。采用PIV方法對試驗件順航向左側葉柵出口水平面進行測試，在外涵進口落壓比為1.1、氣流溫度為18.5℃時，對應的流場測試結果如圖6所示。從圖中可見，氣流從葉柵排出后沿葉柵型面方向繼續向前流動，無漩渦產生，氣流徑直排出，高速氣流對附近空氣產生一定引射帶動作用。從圖6（a）中可見，氣流從葉柵出口排出后核心為高速氣流區，向兩端逐漸減少，在葉柵出口外的其它區域氣流流速極低。核心氣流最大流速約為110 m/s，主流氣流速度約為80 m/s。

圖6 落壓比為1.1時的速度場

在外涵進口落壓比為1.2、進口溫度為50℃時，對順航向左側葉柵出口水平面氣流速度流場測試結果如圖7所示。從圖中可見，氣流從葉柵排出后，核心氣流沿葉柵型面原方向徑直排出，未發生方向改變或出現漩渦，周圍空氣在主流引射作用下向主氣流流動。從圖7（a）中可見，在該狀態下核心氣流速度約為170 m/s，分布在排氣氣流的中間，隨著氣流向核心氣流外及兩端推移速度呈降低趨勢，主流的氣流速度約為120 m/s。與落壓比為1.1時相比，在該狀態下核心氣流范圍增大，分析認為隨著落壓比的增大，空氣氣流速度提高，周圍空氣與葉柵出口氣流相互的擾動作用比重減弱，所以氣流內部場中高速區范圍增大。

圖7 落壓比為1.2時的速度場

采用Fluent軟件對葉柵出口流場進行數值模擬，在進口落壓比為1.2時，截取測試截面位置處數值模擬速度云圖，如圖8所示。從圖中可見，排氣氣流核心區域速度較高，約為165 m/s，隨著氣流向外流動及向兩端推移速度呈降低趨勢，主流的氣流速度約為120 m/s。與PIV測試系統得到的試驗結果吻合良好，在氣流核心區域及主流區域，數值模擬與PIV測試速度最大相對誤差約為3.5%。

圖8 落壓比1.2模擬速度場

反推力裝置葉柵出口外流場數據的成功獲取說明了試驗方案的合理性。防護裝置對于內部光學設備起到了保護作用，能夠在保證設備正常穩定使用的前提下，很好地隔絕氣流沖擊，消除現場振動。

試驗中使用成熟商用PIV測試系統，設計防護系統、遠程控制等裝置，結合合理的試驗方案，實現了工程環境中的外流場測試，得到真實可靠的流場測試數據。克服光學測試自身在工程測試中的缺點和不足，發揮出其高時間分辨率、高空間分辨率、流場無擾動等諸多優點，實現新型高效測試技術與傳統工程試驗的有機融合。

5 結論

（1）氣流從葉柵出口排出后沿葉柵型面方向繼續向前流動，未發生方向偏移；

（2）進口落壓比增大，葉柵出口氣流速度提高，高速區拓寬，流場形式無明顯變化；

（3）激光器及CCD相機防護裝置在試驗過程中能夠實現阻隔氣流沖擊、消除現場振動的作用，并兼顧光學測試儀器微調整功能。

PIV測試技術結合防護、減振、遠程控制等措施，成功應用于工程外流場測試，并獲得了較為理想的測試結果。