超聲速PIV示蹤粒子布撒技術(shù)研究

榮 臻，陳 方，劉 洪，張 亞

（上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院，上海 200240）

0 引 言

近年來(lái)光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)在超聲速流動(dòng)測(cè)量中得到了較為廣泛的應(yīng)用，其中粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocimetry）有長(zhǎng)足的發(fā)展，它突破傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量限制，可瞬時(shí)無(wú)接觸測(cè)量流場(chǎng)中一個(gè)截面上的二維速度分布，并且有較高的測(cè)量精度，在諸如超聲速射流［1］、剪切層流動(dòng)［2］、超燃沖壓內(nèi)流［3］以及諸如拐角流、尖劈附著激波和圓柱脫體激波［4－5］等超聲速流場(chǎng)測(cè)量中得到了很好的測(cè)量結(jié)果。最初將PIV技術(shù)應(yīng)用于高速可壓縮流研究的是Moraitis和Riethmuller［6］以及 Kompenhans和 Hocker［7］；Haertig［8］等人在法德圣路易研究所超聲速下吹式風(fēng)洞中首先成功地將PIV技術(shù)運(yùn)用到馬赫數(shù)Ma＝4.5流動(dòng)測(cè)量，并提出高速流動(dòng)PIV測(cè)量精度會(huì)隨著CCD相機(jī)跨幀時(shí)間的降低、相機(jī)分辨率的提高以及雙腔Nd：YAG激光器達(dá)到納秒級(jí)持續(xù)時(shí)間而提高；Schrijer和Fulvio Scarano［9］等人提出PIV技術(shù)在高超聲速流動(dòng)測(cè)量中應(yīng)用最大的挑戰(zhàn)來(lái)自兩個(gè)方面：示蹤粒子的選擇和示蹤粒子布撒技術(shù)?？梢钥吹阶鳛椋ǜ撸┏曀貾IV測(cè)試技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，如何實(shí)現(xiàn)示蹤粒子均勻布撒且濃度滿足PIV圖像處理要求的PIV示蹤粒子布撒技術(shù)在研究中得到眾多研究學(xué)者的關(guān)注。然而，需要指出的是文獻(xiàn)中均未詳細(xì)介紹和評(píng)述PIV示蹤粒子布撒技術(shù)及其系統(tǒng)構(gòu)成，對(duì)布撒效果缺乏分析比較。因此，超聲速PIV示蹤粒子布撒技術(shù)需仔細(xì)分析和研究。

為發(fā)展超聲速PIV示蹤粒子布撒技術(shù)，作者研制了一套（高）超聲速風(fēng)洞PIV示蹤粒子布撒系統(tǒng)；提出了利用粒子發(fā)生罐與風(fēng)洞穩(wěn)定段平衡后的真空度將示蹤粒子吸入至發(fā)生器罐內(nèi)的粒子注入方法，有效避免了示蹤粒子在注入過(guò)程中可能發(fā)生的聚團(tuán)現(xiàn)象；通過(guò)選定實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程時(shí)序，保證了PIV系統(tǒng)以及風(fēng)洞運(yùn)行之間精確的時(shí)序控制；通過(guò)比較測(cè)試粒子發(fā)生器注入壓力對(duì)粒子布撒濃度的影響，確定了滿足PIV運(yùn)算要求的布撒濃度所對(duì)應(yīng)的測(cè)試方案。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1 多馬赫數(shù)高速風(fēng)洞

多馬赫數(shù)高速風(fēng)洞（Multi－Mach Number Highspeed Tunnel）（圖1）位于上海交通大學(xué)高超聲速創(chuàng)新技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室，其運(yùn)行參數(shù)如下：馬赫數(shù)范圍2.5、3、4、5、6、7，軸對(duì)稱(chēng)噴管（出口Φ200mm 對(duì)應(yīng)噴管馬赫數(shù)4、5、6、7，出口Φ180mm時(shí)對(duì)應(yīng)噴管馬赫數(shù)2.5、3），總壓接近實(shí)際的彈道飛行參數(shù)，總溫以試驗(yàn)段氣流不冷凝為條件，有效實(shí)驗(yàn)時(shí)間大于10s。實(shí)驗(yàn)艙左右側(cè)以及上方各有一個(gè)觀察窗口，分別安裝有光學(xué)玻璃。所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均在來(lái)流馬赫數(shù)Ma＝4.0，實(shí)驗(yàn)段總壓0.55MPa以及總溫400K狀態(tài)下測(cè)得。

圖1 多馬赫數(shù)高速風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.1 The site of MMHT

1.2 PIV系統(tǒng)

采用的是型號(hào)為SM3－11M500的二維PIV系統(tǒng)，其主要由激光器系統(tǒng)、CCD相機(jī)、同步控制器、粒子布撒系統(tǒng)以及MicroVec軟件組成。雙脈沖Nd：YAG激光器波長(zhǎng)為532nm，最高脈沖能量為500mJ，最高工作頻率為10Hz，脈沖寬度為6～8ns。配置4000pix×2672pix（11M）的CCD相機(jī)，PIV模式最小曝光時(shí)間間隔≦200ns，鏡頭焦距為105mm／F2.8。圖像處理軟件為MicroVec 2.0，基于64位Windows系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具備互相關(guān)迭代、窗口變形等功能，集成了圖像控制、實(shí)時(shí)PIV計(jì)算、存儲(chǔ)分析等功能。示蹤粒子選用標(biāo)稱(chēng)粒徑為30nm的TiO2，其密度為4230kg／m3，電鏡掃描其實(shí)際粒徑約為200nm［10］，使用前均保存在恒溫恒濕箱內(nèi)。

2 PIV系統(tǒng)布置及測(cè)試參數(shù)設(shè)置

2.1 PIV系統(tǒng)布置方式

PIV系統(tǒng)放置在實(shí)驗(yàn)艙外側(cè)，激光光束通過(guò)導(dǎo)光臂和片光頭形成1～2mm厚度的扇形片光，并從風(fēng)洞上方觀察窗入射照亮待測(cè)流場(chǎng)區(qū)域；片光平面與實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)噴管擴(kuò)散段或者待測(cè)模型豎直中心平面重合。相機(jī)置于實(shí)驗(yàn)艙外側(cè)觀察窗口附近，其軸線與激光片光平面垂直。系統(tǒng)由測(cè)控間工控機(jī)遠(yuǎn)程控制PIV調(diào)試和數(shù)據(jù)采集，圖像處理軟件也集成在該臺(tái)工控機(jī)上。

圖2 超聲速PIV系統(tǒng)布置方式Fig.2 The schematic of PIV setup

2.2 PIV系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)設(shè)置

根據(jù)Adrian數(shù)值模擬的研究表明，PIV系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置應(yīng)滿足如下要求：（1）每個(gè)判讀小區(qū)內(nèi)有效的粒子對(duì)應(yīng)該大于10對(duì)，它取決于示蹤粒子的濃度、判讀小區(qū)大小以及兩路激光脈沖間隔時(shí)間Δt；（2）粒子在垂直激光片光平面方向的最大位移為激光片光厚度的25%，它與激光片光的厚度和激光脈沖間隔時(shí)間Δt有關(guān)；（3）粒子位移最大值應(yīng)為判讀小區(qū)大小的25%，這樣可以提高兩幅圖片的相關(guān)性，可以通過(guò)改變判讀小區(qū)的尺寸、圖像偏置量和激光脈沖間隔時(shí)間Δt。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的PIV系統(tǒng)的配置，根據(jù)以上原則以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)風(fēng)速，幾個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的選擇如下：片光厚度d＝2mm；Ma＝4.0時(shí)，來(lái)流風(fēng)速v＝780m／s，Δt＜（d／4）／v＝640ns，一般取Δt＝600ns。

3 超聲速PIV示蹤粒子布撒技術(shù)

超聲速PIV示蹤粒子布撒技術(shù)主要有以下要求：粒子布撒濃度適當(dāng)且布撒均勻；確保示蹤粒子在測(cè)試過(guò)程中不出現(xiàn)或少出現(xiàn)聚團(tuán)現(xiàn)象；布撒方式方便簡(jiǎn)易且安全高效。因此在研究過(guò)程中應(yīng)緊緊圍繞以上要求開(kāi)展工作。

3.1 粒子布撒系統(tǒng)

粒子布撒系統(tǒng)由于需要高壓氣體作為示蹤粒子注入風(fēng)洞管路的驅(qū)動(dòng)力，注入管路又緊鄰風(fēng)洞加熱器，因此設(shè)計(jì)中要充分考慮裝置的耐高壓高溫特性（P＞10MPa，T＞700K）。粒子布撒系統(tǒng)主要有3部分組成：粒子發(fā)生器、粒子罐以及高壓管路，其中粒子發(fā)生器罐體上端2個(gè)出口通過(guò)高壓管路分別與風(fēng)洞管路相接，下端通過(guò)高壓管路與高壓氣源相連。系統(tǒng)配件主要包括手動(dòng)閥門(mén)、電磁閥以及壓力表等，如圖3所示。粒子發(fā)生器罐體材質(zhì)為45＃鋼，容積為16L，可耐壓20MPa。罐體與上下端口均以螺紋壓蓋和橡皮圈密封。高壓管路管徑為Ф12.7mm，閥門(mén)中F1為手動(dòng)閥，其余均為電磁閥。圖4為發(fā)生器罐內(nèi)高壓氣體噴注結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)噴注方式為環(huán)狀噴注，濃度均勻，穩(wěn)壓效果良好。

圖3 粒子布撒系統(tǒng)示意圖Fig.3 The sketch of seeding system

圖4 發(fā)生器罐內(nèi)高壓噴注結(jié)構(gòu)示意圖（20MPa）Fig.4 The sketch of air injection structure inside the vessel（20MPa）

3.2 粒子加注方式

粒子加注方式起初采用打開(kāi)粒子發(fā)生器罐體上端口，將粒子加注進(jìn)去。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采用該種加注方式會(huì)使粒子長(zhǎng)時(shí)間放置在高壓罐體內(nèi)，與高濕度的空氣接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)粒子聚團(tuán)現(xiàn)象，不利于實(shí)驗(yàn)測(cè)量，而且反復(fù)拆裝高壓罐體，不利于罐體密封。

由于粒子發(fā)生器通過(guò)高壓管路與風(fēng)洞管路相連，實(shí)驗(yàn)前需與實(shí)驗(yàn)艙、穩(wěn)定段內(nèi)的真空度平衡，所以粒子發(fā)生罐內(nèi)壓力也為真空。實(shí)驗(yàn)中采用從粒子發(fā)生器出口處接入導(dǎo)管，另一端連接待加注粒子放置的粒子罐（見(jiàn)圖3），若開(kāi)啟導(dǎo)管閥門(mén)F1后粒子會(huì)快速被吸入發(fā)生器罐體內(nèi)，關(guān)閉導(dǎo)管閥門(mén)F1后粒子均位于粒子發(fā)生器罐體底部，等待實(shí)驗(yàn)開(kāi)始。因此提出并實(shí)現(xiàn)真空吸入粒子加注方式，可大大減少示蹤粒子與潮濕空氣接觸后發(fā)生聚團(tuán)的現(xiàn)象，并且可降低拆裝粒子發(fā)生器端口的次數(shù)，明顯提高了示蹤粒子注入效率。

3.3 超聲速PIV測(cè)試流程時(shí)序選擇

測(cè)試流程時(shí)序?qū)τ跁r(shí)間控制精度高、步驟復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)非常重要。為充分保證PIV系統(tǒng)能夠與風(fēng)洞之間的時(shí)序控制精度，選定了超聲速PIV測(cè)試流程時(shí)序。該流程可分為準(zhǔn)備階段、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行階段以及結(jié)束階段，如圖5所示，具體操作說(shuō)明如下：

（1）開(kāi)啟閥F3、F4，使發(fā)生器內(nèi)壓力與穩(wěn)定段平衡；

（2）關(guān)閉閥F3、F4，開(kāi)啟閥F1，利用發(fā)生器罐體內(nèi)真空度將桶內(nèi)放的粒子吸入罐體，每次吸入的粒子重量約為100g；

（3）待粒子全部吸入罐體后關(guān)閉閥F1，開(kāi)啟閥F2，將高壓氣體注入罐體；

（4）待罐體內(nèi)壓力穩(wěn)定后，開(kāi)啟風(fēng)洞快速閥K3，平衡加熱器與主流管路壓力；

（5）開(kāi)始采集記錄風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)；待加熱器內(nèi)壓力穩(wěn)定后開(kāi)啟風(fēng)洞快速氣動(dòng)閥K1，；等待數(shù)秒后同時(shí)開(kāi)啟風(fēng)洞快速氣動(dòng)閥K2與閥F3、F4；

（6）開(kāi)啟PIV采集；

（7）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后同時(shí)關(guān)閉風(fēng)洞快速氣動(dòng)閥K1、K3與閥F3、F4；

（8）關(guān)閉PIV采集，保存PIV圖像；

（9）關(guān)閉粒子發(fā)生器。

圖5 流程圖Fig.5 Flow process chart

3.4 粒子發(fā)生器注入壓力對(duì)粒子布撒濃度的影響

粒子發(fā)生器注入壓力以及注入方式?jīng)Q定了粒子布撒流量，從而對(duì)粒子布撒濃度有很大影響。依照風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)，馬赫數(shù)4.0條件下來(lái)流進(jìn)氣壓力為2.4MPa，因此注入壓力應(yīng)大于2.4MPa，表1為實(shí)驗(yàn)中所選擇的不同注入壓力及注入方式以及所對(duì)應(yīng)的示蹤粒子流量和風(fēng)洞主流流量。圖6為傾斜角20°的尖劈模型在3種不同狀況下的PIV原始圖像，從圖中可以看到，3種不同狀況下對(duì)應(yīng)的PIV粒子圖像中粒子分布濃度有明顯不同。為選擇適當(dāng)?shù)姆桨?，利用PIV軟件分別對(duì)3種狀況下的圖像對(duì)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，比較測(cè)得流場(chǎng)的均勻性。結(jié)果表明，狀況2下得到的流場(chǎng)速度矢量分布均勻且相對(duì)誤差較小，如圖7所示。另外當(dāng)粒子流量為0.01kg／s而主流流量為3kg／s時(shí)，根據(jù)粒子密度以及來(lái)流流速可估算得到實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的粒子濃度為100000個(gè)／mm3，因此可以滿足每個(gè)判讀小區(qū)有10個(gè)粒子存在，符合PIV互相關(guān)運(yùn)算要求。而狀況1對(duì)應(yīng)的PIV圖像粒子濃度較狀況2要小，計(jì)算結(jié)果誤差較大；而狀況3對(duì)應(yīng)的圖像粒子濃度過(guò)大，從經(jīng)濟(jì)性考慮也不適合。

表1 示蹤粒子注入壓力和流量參數(shù)Table1 The parameters of seeding injection pressure and flux

圖6 PIV原始圖像Fig.6 The original pictures of PIV

圖7 狀況2對(duì)應(yīng)的PIV流場(chǎng)矢量分布圖Fig.7 The velocity distribution of PIV measurement at case2

4 問(wèn)題及不足

為開(kāi)展更高馬赫數(shù)的PIV流場(chǎng)測(cè)量，粒子布撒技術(shù)中流程時(shí)序和注入壓力方面還有待進(jìn)一步的改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)中有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)示蹤粒子在注入前已出現(xiàn)少量聚團(tuán)，因此在粒子選擇以及防止粒子聚團(tuán)方面還需作一些工作。

5 結(jié) 論

所介紹的超聲速PIV示蹤粒子布撒技術(shù)在粒子發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、粒子加注、實(shí)驗(yàn)流程時(shí)序和注入壓力選擇等方面都能夠較好的滿足超聲速流場(chǎng)PIV測(cè)試要求；實(shí)驗(yàn)中得到的PIV圖像粒子濃度適當(dāng)，均勻性良好，PIV軟件計(jì)算得到的流場(chǎng)速度矢量圖精度較高。

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