氫氣泡流場(chǎng)顯示技術(shù)及應(yīng)用

符小剛，于芳芳

(中國飛行試驗(yàn)研究院 發(fā)動(dòng)機(jī)所，陜西 西安 710089)

氫氣泡流場(chǎng)顯示技術(shù)及應(yīng)用

符小剛，于芳芳

(中國飛行試驗(yàn)研究院 發(fā)動(dòng)機(jī)所，陜西 西安 710089)

摘要：介紹氫氣泡流場(chǎng)顯示技術(shù)原理以及試驗(yàn)用水槽及水洞等設(shè)備。通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了此類試驗(yàn)中所用到的示蹤粒子生成、照明等技術(shù)，并分析了相應(yīng)的適用試驗(yàn)類型，然后介紹了該技術(shù)在旋成體附面層控制、壓氣機(jī)葉柵流場(chǎng)研究以及活塞發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻腔體流場(chǎng)研究方面的應(yīng)用。實(shí)踐表明，該技術(shù)不僅可以直觀地觀察流場(chǎng)分布情況，并能定量得到流場(chǎng)中的速度分布信息。

關(guān)鍵詞：流場(chǎng)顯示技術(shù)；水洞；水槽；示蹤粒子

1引言

流場(chǎng)顯示技術(shù)，是指通過在流場(chǎng)中添加示蹤粒子以及顯色劑等[1]，以光學(xué)手段來直觀地觀察以及獲取流場(chǎng)分布信息。通過各種流動(dòng)顯示試驗(yàn)，可以了解復(fù)雜的物理現(xiàn)象，探索其物理機(jī)制，為發(fā)現(xiàn)新的流動(dòng)現(xiàn)象，建立新的概念和物理模型提供依據(jù)。流場(chǎng)顯示技術(shù)本身也是解決實(shí)際工程問題的重要手段[2]。

圖1　飛機(jī)模型機(jī)翼表面流場(chǎng)

對(duì)于氣體介質(zhì)，常使用煙跡來顯示三維空間流場(chǎng)[3](見圖1)，使用紙條、油膜[4]來顯示型體表面流場(chǎng)等。對(duì)于液體，主要使用染色劑(如紅墨水)以及氫氣泡等來顯示空間流場(chǎng)(見圖2)。與使用探針、測(cè)量耙等測(cè)試儀器相比，流場(chǎng)顯示技術(shù)能比較直觀地得到較大范圍的流場(chǎng)整體分布的真實(shí)情況以及細(xì)節(jié)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，如渦流、尾跡等。

圖2　平面翼型周圍流場(chǎng)

早期的流場(chǎng)顯示技術(shù)只能定性給出流場(chǎng)分布情況，近來已經(jīng)可以定量獲取流場(chǎng)中速度場(chǎng)的分布信息(比如粒子成像測(cè)速技術(shù)(PIV)[5])以及溫度場(chǎng)分布(如紅外測(cè)溫技術(shù))。本文結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹了在水槽中使用氫氣泡作為示蹤粒子來顯示流場(chǎng)分布的原理及相關(guān)技術(shù)。

2試驗(yàn)原理

氫氣泡流場(chǎng)顯示技術(shù)適用于液體流場(chǎng)試驗(yàn)，采用水電解原理，即在水中放入電極，加電后會(huì)在陰極和陽極上分別產(chǎn)生氫氣泡和氧氣泡。如果使用極細(xì)的金屬絲作為陰極，則其所產(chǎn)生的氫氣泡能以較長(zhǎng)的時(shí)間隨著液體運(yùn)動(dòng)，故可作為示蹤粒子使用。

使用氣泡作為示蹤粒子，需滿足以下幾個(gè)條件：

(1)氣泡應(yīng)具有較小的水溶性，否則，產(chǎn)生的氣泡來不及隨流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)即迅速溶于水中，無法進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)?；谝陨显颍囼?yàn)選擇了陰極產(chǎn)生的氫氣泡(極不易溶于水)而非陽極產(chǎn)生的氧氣。

(2)要有足夠多的數(shù)量，以形成類似空氣中的煙跡一樣的較明顯的顯示區(qū)域。與氧氣相比，兩電極同一時(shí)段產(chǎn)生的氫氣泡數(shù)量是氧氣泡的兩倍，這是選擇氫氣泡的另一個(gè)原因。同時(shí)，適量調(diào)節(jié)兩極的電壓值，也是控制氣泡數(shù)量的有效方法。

(3)氣泡應(yīng)當(dāng)有較好的跟隨性。由于浮力作用，氣泡隨流體一起運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)上升。試驗(yàn)中，氣泡的上升速率應(yīng)盡可能低。如果產(chǎn)生的氣泡尺寸很小，則與其上升運(yùn)動(dòng)有關(guān)的Re數(shù)就很低，因此在任何情況下，都希望產(chǎn)生的氣泡盡可能地小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)觀測(cè)，氣泡的尺寸和陰極絲的直徑有同樣的數(shù)量級(jí)。

因此，作為試驗(yàn)中發(fā)泡用的金屬絲，直徑大都在0.01mm～0.02mm，可以用鉑絲、鎢絲、銅絲或者不銹鋼絲。較小的金屬絲直徑也保證了其對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)被控制在極小的范圍內(nèi)。而陽極為任意形狀，被放在流體中遠(yuǎn)離試驗(yàn)觀測(cè)區(qū)域的另一位置。普通的自來水就可以做電解液，如果水質(zhì)太軟，可以加入硫酸鈉以增加導(dǎo)電率。

另一方面，氫氣泡是透明無色的，不能在自然光下直接觀察到。因此，試驗(yàn)中需要遮蔽環(huán)境光，然后使用人工光源只照亮流場(chǎng)中的試驗(yàn)區(qū)域，通過氫氣泡表面的反射使之顯現(xiàn)出來。照明一般采用片光源，某些研究人員發(fā)現(xiàn)，照明和觀察的方向成65°時(shí)最合適，可能與氫氣泡的散射性有關(guān)。記錄可以采用普通照相機(jī)或電視攝像機(jī)等。

如果使金屬絲垂直于流動(dòng)方向，輸入恒定頻率的短脈沖或者方波信號(hào)，金屬絲上會(huì)以相等的時(shí)間間隔生成氫氣泡，氣泡隨水流下移，形成一系列條紋。此條紋即可以作為度量流動(dòng)速度的時(shí)間線。若金屬絲豎直插入水中，則時(shí)間線直接度量了當(dāng)?shù)卮怪彼俣绕拭妫蝗艚饘俳z水平放置于水中，則時(shí)間線顯示出水流速度在橫向的變化，見圖3。由于脈沖電源的頻率是已知的，因此，相鄰時(shí)間線之間的時(shí)長(zhǎng)也是已知的。如果事先知道流場(chǎng)中的參考尺寸(比如模型尺寸)，就可以依據(jù)時(shí)間線間間距的大小定量獲取觀測(cè)平面各處的速度場(chǎng)分布。

圖3　采用脈沖信號(hào)在流場(chǎng)中產(chǎn)生的時(shí)間線

雖然在試驗(yàn)中總的流動(dòng)圖形并不會(huì)因?yàn)殛帢O絲的存在而受到嚴(yán)重的干擾，但是金屬絲的尾流引起的局部擾動(dòng)很大，而且會(huì)影響氣泡的運(yùn)動(dòng)，因此可能會(huì)引起較大的局部失真——在金屬絲所產(chǎn)生的尾流中運(yùn)動(dòng)的氣泡呈現(xiàn)偏低的速度。由于直徑小，金屬絲的Re數(shù)通常都很低。根據(jù)層流尾流理論可以得出這樣一個(gè)結(jié)論：在金屬絲下游70至100倍金屬絲直徑的距離處，氣泡的速度才能達(dá)到自由流的速度。這意味著流動(dòng)試驗(yàn)區(qū)至少應(yīng)位于金屬絲后方100倍的直徑處。如果尾流不是層流狀態(tài)，產(chǎn)生的湍流將干擾氣泡的運(yùn)動(dòng)。

能夠在流動(dòng)中觀察氫氣泡的時(shí)間受氫氣泡在水中融解時(shí)間的限制。隨著Re數(shù)的增加，氣泡的擴(kuò)散增強(qiáng)，在湍流中擴(kuò)散十分迅速。因此，這種方法的應(yīng)用僅限于低速流動(dòng)，最大速度約為20～30cm/s量級(jí)。

3試驗(yàn)水洞及水槽

水洞與水槽的主要區(qū)別在于，水洞是封閉式的，其水壓可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，因此可以實(shí)現(xiàn)較大的流速，通常用于較大尺寸模型試驗(yàn)，如北京航空航天大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)系的2m×2m循環(huán)式水洞，見圖4；而水槽是開放式的，其水壓與大氣壓力相通，試驗(yàn)流速較低，大都用于小尺寸模型，見圖5。兩者都必須包括試驗(yàn)段、加速段、濾網(wǎng)、葉輪機(jī)等基本結(jié)構(gòu)。

圖4　典型水洞模型

圖5　典型水槽模型

圖6　水槽及發(fā)泡用脈沖電源

圖6所示為北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)國防重點(diǎn)試驗(yàn)室的自循環(huán)回流式水槽。該水槽為金屬框架有機(jī)玻璃箱體，長(zhǎng)6.8m，試驗(yàn)段橫截面積0.7m×0.5m，流速在0.06m/s～0.12m/s范圍可調(diào)。所用脈沖電源可以產(chǎn)生方波、三角波、正弦波等形式的電信號(hào)，頻率連續(xù)可調(diào)。

水洞及水槽主要應(yīng)用于模型外流場(chǎng)。對(duì)于內(nèi)流場(chǎng)，比如活塞發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸頭內(nèi)冷卻流場(chǎng)，為觀測(cè)到其流動(dòng)結(jié)構(gòu)，需切除氣缸頭殼體待觀測(cè)流場(chǎng)區(qū)域部分表面，以相同內(nèi)型面的透明材料(如玻璃或者樹脂)代替。進(jìn)行此類試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)注意做好透明材料與金屬殼體之間的密封，同時(shí)確保電極金屬絲與殼體之間的絕緣。

4技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

4.1旋成體附面層控制試驗(yàn)

圖7所示為在自循環(huán)回流式水槽中進(jìn)行的旋成體附面層流場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)。采用綠色激光片光源對(duì)模型表面流場(chǎng)打光。由上圖可以明顯觀察到水流過光滑旋成體錐形表面頭部后形成的大的分離泡(表面觀察不到氫氣泡的區(qū)域，即低速流區(qū)域)以及其后附面層轉(zhuǎn)捩為湍流并逐漸加劇的過程。而下圖在采用微溝槽表面后，旋成體附面層中已經(jīng)觀察不到明顯的分離泡，其后長(zhǎng)時(shí)間保持層流流動(dòng)。

圖7　光滑表面旋成體(上)與微溝槽表面旋成體(下)附面層

4.2壓氣機(jī)平面葉柵模型根部流場(chǎng)

圖8　攻角為0°(上)以及+8°(下)時(shí)葉柵模型根部流場(chǎng)

圖8所示為在水槽中進(jìn)行的壓氣機(jī)平面葉柵模型根部流場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，采用白色片光源對(duì)試驗(yàn)區(qū)域打光。由圖中對(duì)比可見，在較大的正攻角下，可以明顯觀測(cè)到葉背部的分離流以及葉片前緣根部形成的渦結(jié)構(gòu)，而在設(shè)計(jì)攻角下，這種渦活動(dòng)要弱得多。

4.3活塞發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸頭內(nèi)冷卻流場(chǎng)

圖9所示為活塞發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸頭內(nèi)冷卻流場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)。為了觀察到殼體內(nèi)部流場(chǎng)，在模型正上方以及側(cè)面均開設(shè)了觀察窗口。其中，下圖右上角可以明顯觀察到有比較強(qiáng)烈的渦結(jié)構(gòu)存在。之所以氫氣泡的運(yùn)動(dòng)被顯示為絲狀軌跡，是因?yàn)樵搮^(qū)域流速較高，而所用相機(jī)使用了較長(zhǎng)的曝光時(shí)間。與之相比，同樣曝光時(shí)間下腔體正面的流場(chǎng)(上圖)中的氫氣泡顯示為顆粒狀，這意味著這些區(qū)域的流速是很低的。

5結(jié)論

(1)采用氫氣泡流場(chǎng)顯示技術(shù)，可以直觀地獲取低速條件下型體外流場(chǎng)以及內(nèi)流場(chǎng)分布情況、流動(dòng)細(xì)節(jié)信息；

圖9　從模型正上方(上)以及側(cè)方(下)觀察到的腔體內(nèi)流場(chǎng)

(2)水洞或水槽是進(jìn)行氫氣泡流場(chǎng)顯示試驗(yàn)的主要試驗(yàn)平臺(tái)；

(3)試驗(yàn)中采用頻率已知的脈沖電信號(hào)以及片光源，可以定量并精確獲取流場(chǎng)中的速度分布數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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Technique of Flow Field Display with Hydrogen Bubble and Application

Fu Xiaogang,Yu Fangfang

(Engine Department of Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,Shanxi,China)

Abstract：In this paper,mechanism of technique of flow field display with hydrogen bubble is stated with the instruments including water tunnel and water channel used in test.Technique of generation of the traceable particle and lighting for flow field display is verified in the test,and the corresponding test type is analyzed.Then the application of this technique in rotation body boundary layer control,study on flow field of compressor blade cascade and piston engine cooling cavity is stated.Practice indicates that with this technique not only the distribution of flow field can be observed directly,but also the velocity distribution information in the flow field can be gained quantitatively.

Keywords:technique of flow field display;water tunnel;water channel;traceable particle

[收稿日期]2015-10-25

[作者簡(jiǎn)介]符小剛(1983—)，男，陜西省寶雞市人，碩士，工程師，主要研究方向：飛行器進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)相容性試飛技術(shù)。

中圖分類號(hào)：V211.78

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.006