基于Tomo-PIV技術(shù)的螺旋槳三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究

曾子揚(yáng),余志強(qiáng),方兆波,季志偉,單 峰

(華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,武漢 430074)

0 前言

隨著流體機(jī)械設(shè)計(jì)理論的發(fā)展,各類流體機(jī)械以及水力發(fā)電裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)趨向于精細(xì)化、復(fù)雜化,對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)也變得相對(duì)復(fù)雜,具體表現(xiàn)為強(qiáng)三維特性,即三個(gè)方向上的速度分量量級(jí)相同且并不遵循簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。然而,傳統(tǒng)的點(diǎn)測(cè)量技術(shù)如速度探針、皮托管等在測(cè)量時(shí)會(huì)對(duì)原有流場(chǎng)產(chǎn)生干擾,不易獲取較為精確的數(shù)值;平面PIV 技術(shù)只能獲取固定平面內(nèi)的速度分量,不足以掌握強(qiáng)三維流動(dòng)的全部特征。層析粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Tomo-PIV)能夠精確獲得流場(chǎng)中的粒子三維速度分布的特征,在流體機(jī)械復(fù)雜流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的精密測(cè)量中有著較為廣闊的應(yīng)用前景。基于Tomo-PIV 技術(shù),本文采用自行設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng),以普通三葉螺旋槳為例對(duì)其尾部射流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)量。

目前國內(nèi)外對(duì)于螺旋槳的尾部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的研究主要集中于PIV 實(shí)驗(yàn)測(cè)量及數(shù)值模擬兩種方式。

在PIV 技術(shù)應(yīng)用方面,Paik Bu-Geun 等[1]利用平面PIV 技術(shù)測(cè)量了處于船舶主體尾流影響下的螺旋槳尾流結(jié)構(gòu),分析了上、下螺旋槳平面尾流的差異性;L.Wang 等[2]利用PIV 技術(shù)對(duì)DARPA 潛艇后方的E1658 型螺旋槳在大型自由表面空化通道之中的尾流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)值模擬的結(jié)果基本相同;Can Cao 等[3]采用PIV 技術(shù)和UVP(超聲波速度剖面儀),以黃原膠液體為例,研究了非牛頓流體之中由螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)而引起的滯后效應(yīng),認(rèn)為流場(chǎng)之中正應(yīng)力的分布是決定流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性因素;B.Friedhoff 等[4]在利用2D3C-PIV 技術(shù)對(duì)系柱拉扯條件下的導(dǎo)管螺旋槳尾流進(jìn)行測(cè)量時(shí),采用了創(chuàng)新性的“Shake-the-Box” 算法和新的硬件設(shè)備,用于克服原有PIV 方法之中粒子分辨率低和跟蹤難度大的問題,并在此基礎(chǔ)上取得相應(yīng)進(jìn)展。Mario Felli[5]首次將層析PIV 技術(shù)應(yīng)用于螺旋槳尾流的水動(dòng)力和水聲傳播影響的分析之中,利用精確的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)重構(gòu)出了尾流的渦結(jié)構(gòu)并建立模型進(jìn)行分析;Lefevre Lauriane等[6]采用PIV 技術(shù)對(duì)直升機(jī)螺旋槳周圍的速度場(chǎng)進(jìn)行了研究,并分析了螺旋槳上下游旋翼下方流場(chǎng)的變化。國內(nèi)方面,李廣年等[7]針對(duì)大量的螺旋槳尾流場(chǎng)二維PIV 試驗(yàn)數(shù)據(jù),基于得到的尾流中尾渦片經(jīng)過區(qū)域速度的分布情況,描述了螺旋槳尾渦的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)演化情況;張國平等[8]利用PIV 和LDV 技術(shù)對(duì)DTMB-P4119 標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳的尾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)量,清晰地捕捉到了尾流結(jié)構(gòu)中梢渦和尾渦片結(jié)構(gòu),并對(duì)比了兩種方法的測(cè)量結(jié)果,證明了平面PIV 技術(shù)在復(fù)雜流場(chǎng)測(cè)量上應(yīng)用的可能性;張軍等[9]利用隨車式PIV 在拖曳水池進(jìn)行了導(dǎo)管螺旋槳的內(nèi)流場(chǎng)及近場(chǎng)尾流測(cè)量,很好地獲得了轉(zhuǎn)子梢渦、轂部渦、螺旋槳上下表面脫落的旋向相反的尾渦的結(jié)構(gòu)和分布情況。王戀舟[10]通過2D3C-PIV 技術(shù)對(duì)敞水條件下孤立螺旋槳以及艇-槳一體系統(tǒng)中螺旋槳的尾流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,從多角度分析了螺旋槳尾流的水動(dòng)力行為,著重研究了螺旋槳尾流的不穩(wěn)定性觸發(fā)機(jī)制,并基于此提出了螺旋槳梢渦的演化模型。

在數(shù)值模擬研究方面,Kwang Jun Paik[11]采用兩種不同的螺旋槳數(shù)據(jù)模型,通過仿真建模研究了不同幾何尺寸的螺旋槳周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及其水動(dòng)力特性;Sezen Savas[12]采用改進(jìn)的V-AMR 技術(shù),并結(jié)合Schnerr-Sauer 傳質(zhì)模型來模擬空泡,用以準(zhǔn)確求解梢渦流動(dòng)并模擬螺旋槳滑流中的梢渦空泡;Di Mascio A 等[13]利用分離渦模擬方法分析了不同載荷情況下在自由液面下工作的螺旋槳尾流中的渦結(jié)構(gòu),結(jié)果表明低載荷情況下與敞水條件下的工作情況類似,而高載荷條件下渦系統(tǒng)與自由表面的作用掩蓋了敞水條件下觀察到的配對(duì)機(jī)制;Zhi Yuchang 等[14]采用動(dòng)態(tài)模態(tài)分解(DMD)和重構(gòu)的方式,對(duì)尾流結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的葉尖渦和輪轂渦模擬得到的瞬態(tài)渦尾跡結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,表明了基于DMD 降階模型的流場(chǎng)重建在預(yù)測(cè)螺旋槳尾流和控制螺旋槳運(yùn)行方面的可行性;Ding Guoping 等[15]利用光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)傳感器獲取螺旋槳水下應(yīng)變信息,采用隨機(jī)子空間辨識(shí)(SSI)方法對(duì)螺旋槳工作模態(tài)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。國內(nèi)方面,蘇玉民等[16]利用基于速度勢(shì)的低階面元法計(jì)算船舶螺旋槳的尾流場(chǎng),較為真實(shí)地模擬了螺旋槳的運(yùn)轉(zhuǎn)情況,與實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)基本相符;葉金銘等[17]在基于速度勢(shì)的面元法的基礎(chǔ)上,根據(jù)尾渦面必須和當(dāng)?shù)亓黧w流速相切的原則,修正原來尾渦面的形狀,逐步迭代直至螺旋槳的尾渦形狀收斂,提高了螺旋槳水動(dòng)力性能的預(yù)報(bào)精度。

總結(jié)上述工作,目前對(duì)于螺旋槳尾部流場(chǎng)的研究以數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方式并行,但總體以數(shù)值模擬構(gòu)建模型為主,且著重于研究尾流結(jié)構(gòu)之中的渦環(huán)結(jié)構(gòu),以及渦的產(chǎn)生、脫落和破碎機(jī)制。但是,三維實(shí)驗(yàn)的工作仍然有所欠缺。因此,本文將利用層析粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Tomo-PIV)獲得螺旋槳尾流流場(chǎng)的三維結(jié)構(gòu),并從瞬時(shí)特性和時(shí)均特性兩個(gè)方面對(duì)速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)處理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括Tomo-PIV 測(cè)量系統(tǒng)以及射流循環(huán)系統(tǒng)。圖1(a)展示了四臺(tái)相機(jī)的布置情況和系統(tǒng)組成;圖1(b)展示了伺服電機(jī)和螺旋槳的實(shí)物圖。為了對(duì)空間三維流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,Tomo-PIV 系統(tǒng)采用了四臺(tái)高速相機(jī)水平布置在水槽兩側(cè),相機(jī)與水槽之間夾角為45°,拍攝幀率為125Hz,通過同步器同時(shí)觸發(fā)四臺(tái)相機(jī)進(jìn)行拍攝。為了獲得亮度合適的流場(chǎng),實(shí)驗(yàn)采用功率為40W 的單脈沖激光器,激光波長為527nm,體積光厚度為24mm;為了獲得目標(biāo)尺寸的體積激光以對(duì)測(cè)試流場(chǎng)進(jìn)行照明實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)利用光學(xué)透鏡將入射的線激光整形為體積光,而后通過光路調(diào)整組將激光垂直反射至預(yù)定位置。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖及實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)中拍攝體積范圍為120mm ×80mm ×24mm,由4 臺(tái)CMOS 攝像機(jī)進(jìn)行拍攝(8 位顯示5KF20 高速攝像機(jī),1280 ×1024 pixel),并使用兩個(gè)充滿水的梯形棱鏡來最小化像散像差以及視差畸變的影響。四臺(tái)相機(jī)各配備105mm 鏡頭,鏡頭與相機(jī)之間通過移軸轉(zhuǎn)接環(huán)連接,以保證在f/16 孔徑的整個(gè)120mm 寬的體積上保持可接受的對(duì)焦度。四臺(tái)相機(jī)均與同步器連接,以確保準(zhǔn)確地在同一時(shí)刻進(jìn)行拍攝。示蹤粒子采用直徑為50μm 的中性浮力聚酰胺顆粒,濃度約為每個(gè)像素0.03 粒子。實(shí)驗(yàn)在24mm 深度上沿5 個(gè)共平面和等距位置對(duì)三維校準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn),采用的標(biāo)定板為黑色背景,上面為1.5mm 白色標(biāo)記的雙平面點(diǎn)陣列,陣列中的點(diǎn)沿水平和垂直方向的間隔均為5mm。

1.2 數(shù)據(jù)處理

利用Lavision 公司的軟件Davis 10.2.0 的乘法代數(shù)重建技術(shù)(MART)算法對(duì)粒子圖像進(jìn)行體積粒子強(qiáng)度重建,并采用體積自校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行不對(duì)準(zhǔn)校正[18-19]。經(jīng)過體積自校準(zhǔn)后,整個(gè)測(cè)量域視差向量的強(qiáng)度降低到0.08 像素以下。隨后對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理,先減去整個(gè)序列中每個(gè)像素處的最小強(qiáng)度,然后在16 ×16 像素的核上再減去局部最小值。重建的體積大小為110 ×60 ×23mm3,對(duì)應(yīng)1536 ×840 ×320 體素。采用MART 算法進(jìn)行6 次迭代分析光照體積內(nèi)的區(qū)域,并將光照區(qū)域內(nèi)由幽靈粒子和真實(shí)粒子給出的重建粒子的平均強(qiáng)度與周圍環(huán)境的平均強(qiáng)度進(jìn)行比較,得出圖像信噪比高于8。三維粒子場(chǎng)位移采用多通道FFT 互相關(guān)程序計(jì)算,初始窗口大小為64 ×64 ×64 體素,窗口重疊率75%,最終窗口大小為32 ×32 ×32 體素,重疊率75%。所得到的速度場(chǎng)包含192 ×105 ×40 個(gè)矢量,在x、y和z方向上的矢量間隔為0.57mm。對(duì)每個(gè)相關(guān)窗口應(yīng)用體積變形,并應(yīng)用通用離群值檢測(cè)和遞歸替換程序?qū)χ苯酉噜徬蛄吭? ×5 ×5 范圍內(nèi)的平均值,對(duì)向量場(chǎng)進(jìn)行后處理,得到重構(gòu)的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和渦量場(chǎng)等數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 螺旋槳尾流結(jié)構(gòu)的時(shí)均特性

圖2(a)為螺旋槳射流的三維時(shí)均速度分布圖,圖2(b)為沿程等距截面上的截面速度分布圖。可以看出,射流主體大致滿足沿槳轂軸線方向呈中心對(duì)稱,伴隨著射流在軸向運(yùn)動(dòng)的充分發(fā)展,射流主體逐漸向周圍環(huán)境徑向擴(kuò)散,速度降低,直到融入周圍靜水環(huán)境;對(duì)比圖2(b)可以看出,在X=0～±0.5D(D:此處定義為從螺旋槳根部到尾流場(chǎng)中速度降低為整個(gè)速度場(chǎng)中最大速度Vm的0.1 倍之間的距離)左右的范圍內(nèi)有流體沿著射流初始運(yùn)動(dòng)的反方向逐漸向Y正方向運(yùn)動(dòng),由圖3(a)可以看出在射流充分發(fā)展的末端形成兩個(gè)對(duì)稱的大渦,推測(cè)是由于兩個(gè)大的渦旋的存在,導(dǎo)致射流軸心線上存在明顯的回流運(yùn)動(dòng),構(gòu)成了槳轂前方的回流區(qū)。并且,射流主體整體存在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì),隨著射流的徑向擴(kuò)散,其周向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的速度也不斷減小。

圖2 螺旋槳射流三維時(shí)均速度場(chǎng)分布和等距截面速度分布云圖

圖3 螺旋槳中心面(Z=0)處速度和無量綱法向渦量分布圖

在流場(chǎng)中,渦量在一定程度上可以反映流場(chǎng)內(nèi)部渦旋的大小和方向,通過得到的速度場(chǎng)可以計(jì)算出時(shí)均渦量場(chǎng)的空間分布,渦量值采用流出速度進(jìn)行歸一化,得到的結(jié)果如下圖所示:

從圖4(a)中可以看出,兩股射流的方向上有兩條正負(fù)交替分布的渦量帶,其主要由螺旋槳葉射流的剪切運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致。同時(shí)可以從圖4(b)中觀察到,隨著射流主體沿軸向的逐漸發(fā)展,渦量逐漸衰減,說明產(chǎn)生的渦環(huán)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)了合并、破碎或者重組等一系列現(xiàn)象導(dǎo)致渦環(huán)能量耗散,由圖3(b)也能夠進(jìn)一步看出渦量隨射流發(fā)展方向衰減的趨勢(shì)。

圖4 螺旋槳射流三維時(shí)均無量綱化法向渦量場(chǎng)分布和等距截面無量綱化法向渦量分布云圖

為進(jìn)一步了解流場(chǎng)中壓力的分布,現(xiàn)采用雷諾平均的納維-斯托克斯方程(RANS),利用得到的速度場(chǎng)進(jìn)行積分得到重構(gòu)的壓力場(chǎng)如圖5所示。

從圖5(b)中可以發(fā)現(xiàn),在螺旋槳盤面附近出現(xiàn)了明顯的局部的低壓區(qū)域,是因?yàn)槁菪龢粩喑槲車牧黧w并使之加速,壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能導(dǎo)致壓力降低;被抽吸的液體以射流的形式噴出,其壓力分布近似關(guān)于槳轂中心線呈軸對(duì)稱分布。隨著射流的發(fā)展,壓力逐漸趨于穩(wěn)定,兩股射流之間的區(qū)域壓力升高,可能是出現(xiàn)回流現(xiàn)象導(dǎo)致此處絕對(duì)流速降低而壓力升高。同時(shí)從圖5(a)可以發(fā)現(xiàn),集中分布的兩個(gè)低壓區(qū)域正好對(duì)應(yīng)了射流發(fā)展末端出現(xiàn)的兩個(gè)大渦結(jié)構(gòu),符合漩渦的壓力分布。

螺旋槳射流流動(dòng)是一種強(qiáng)三維特性的流動(dòng),螺旋槳的周期性轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)周期性的變化,僅研究其時(shí)均特性不能很好地反映瞬時(shí)變化的周期性規(guī)律,下文將對(duì)于其尾流結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)特性展開研究。

2.2 螺旋槳尾流結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)特性

為更清晰地觀察螺旋槳尾流結(jié)構(gòu)中瞬態(tài)的變化情況,圖6 從兩個(gè)不同的視角方向展示了在6s 內(nèi)每間隔2s 流場(chǎng)瞬時(shí)速度場(chǎng)的變化。

圖6 螺旋槳射流瞬時(shí)三維流場(chǎng),速度V=0.002、0.005、0.007m/s 處的等值面示意圖

不同于前文所述及的射流主體內(nèi)部速度分布變化較為連續(xù)的情況,從圖6(a)～(c)可以看出瞬時(shí)的速度場(chǎng)中射流主體內(nèi)部出現(xiàn)了許多小的環(huán)形動(dòng)量帶,各動(dòng)量帶中心線基本沿射流主體運(yùn)動(dòng)方向分布,且各動(dòng)量帶中的速度明顯低于周圍射流主體的速度。伴隨著時(shí)間推移,這些動(dòng)量帶沿著射流方向進(jìn)行輸送,最后在射流發(fā)展的末端合并隨后消失。當(dāng)射流發(fā)展到相對(duì)穩(wěn)定的階段時(shí),在一個(gè)周期內(nèi)此類動(dòng)量帶以相對(duì)固定的頻率產(chǎn)生、旋進(jìn)再到消失。同時(shí)從圖6(d)～(f)觀察到各動(dòng)量帶中心線與XZ平面存在一定的夾角,推測(cè)其可能是一個(gè)周期內(nèi)流體受到傾斜的螺旋槳葉的不連續(xù)推擠而導(dǎo)致。

此類環(huán)形動(dòng)量帶導(dǎo)致了射流主體內(nèi)部瞬時(shí)的速度差,進(jìn)而讓射流主體內(nèi)部產(chǎn)生瞬時(shí)的渦環(huán)結(jié)構(gòu)。旋流強(qiáng)度相對(duì)于渦量能夠更直接的體現(xiàn)出渦環(huán)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)情況[20],因此圖7 體現(xiàn)了6s 內(nèi)每間隔2s 螺旋槳射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中漩渦強(qiáng)度的瞬時(shí)分布情況。

圖7 螺旋槳射流瞬時(shí)三維流場(chǎng)旋流強(qiáng)度等值面分布示意圖

從圖7(a)～(c)的過程中可以發(fā)現(xiàn),渦環(huán)在螺旋槳槳轂和葉梢附近產(chǎn)生,在射流發(fā)展的末端消失,大致分布在兩股射流的主體之中,且末端出現(xiàn)兩個(gè)較大的渦環(huán),與前文述及的分布規(guī)律相符。此類渦環(huán)序列產(chǎn)生的原因是槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)了流體微團(tuán)的轉(zhuǎn)動(dòng),而在末端因?yàn)橄噜彍u對(duì)的合并和破碎導(dǎo)致其能量耗散而消失。同時(shí)注意到與環(huán)形動(dòng)量帶的分布情況不同,渦環(huán)的中心線沿著射流主體運(yùn)動(dòng)方向在其兩側(cè)交錯(cuò)分布,推測(cè)可能是由于渦環(huán)產(chǎn)生的位置不同,即于葉梢處產(chǎn)生的葉尖渦和槳轂處產(chǎn)生的槳轂渦具有不同的速度分量,導(dǎo)致了合成的渦環(huán)呈交錯(cuò)分布狀態(tài)。

圖8 展示了某一時(shí)刻瞬時(shí)壓力分布和旋流強(qiáng)度分布的關(guān)系:

圖8 某時(shí)刻螺旋槳射流瞬時(shí)三維流場(chǎng)壓力分布及對(duì)應(yīng)時(shí)刻旋流強(qiáng)度分布圖

可以看出在對(duì)應(yīng)有渦結(jié)構(gòu)的地方存在明顯的低壓區(qū),而在相鄰的渦對(duì)之間的區(qū)域壓力較高,在射流主體內(nèi)部存在明顯的壓力波動(dòng)分布,與漩渦的物理性質(zhì)相符;隨著射流發(fā)展,渦環(huán)之間發(fā)生合并和破碎,導(dǎo)致能量耗散,壓力波動(dòng)減弱。同時(shí)在射流發(fā)展的末端存在明顯的對(duì)稱分布的大低壓區(qū),說明有對(duì)稱的大渦環(huán)結(jié)構(gòu)存在,與時(shí)均特性得出的結(jié)論相符。

3 結(jié)論

本文利用自行搭建的Tomo-PIV 測(cè)量系統(tǒng),以三葉螺旋槳為例對(duì)其射流的三維流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,并從時(shí)均特性和瞬時(shí)特性兩個(gè)方面對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的三個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行了闡述:就時(shí)均特性來看,射流主體近似于沿軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)沿徑向擴(kuò)散,渦量沿速度方向分布為兩組正負(fù)相鄰的渦量帶,而壓力近似為由盤面附近的低壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲌?chǎng)中的較高壓,并隨著射流發(fā)展趨于穩(wěn)定;就瞬時(shí)特性來看,出現(xiàn)了瞬時(shí)環(huán)狀動(dòng)量帶的輸送以及渦環(huán)的輸送。瞬時(shí)壓力分布也與這些渦環(huán)結(jié)構(gòu)有緊密聯(lián)系,體現(xiàn)為瞬時(shí)的渦環(huán)結(jié)構(gòu)中心存在明顯的低壓區(qū),相鄰渦環(huán)之間為高壓區(qū)。測(cè)量結(jié)果與漩渦的物理規(guī)律和觀測(cè)到的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)情況基本相符,證明本文中所采用的自行設(shè)計(jì)的Tomo-PIV 系統(tǒng)能夠?qū)τ谌S復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精密測(cè)量,對(duì)于其他水力機(jī)械復(fù)雜三維流場(chǎng)的精密測(cè)量也有著十分可觀的應(yīng)用前景。