慣性粒子分離器流場(chǎng)特性的PIV試驗(yàn)研究?

支 明 李 維 王 彤

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）

慣性粒子分離器流場(chǎng)特性的PIV試驗(yàn)研究?

支 明1,2李 維1王 彤2

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）

慣性粒子分離器因具有流動(dòng)損失小、砂塵分離效果明顯的特點(diǎn)而成為直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的標(biāo)準(zhǔn)配置。論文采用PIV測(cè)速技術(shù)對(duì)慣性粒子分離器矩形截面模型進(jìn)口、中心體駝峰區(qū)域、清除流（包括分叉區(qū)域）、主氣流流場(chǎng)在高速進(jìn)氣狀態(tài)下，進(jìn)行分段測(cè)量，研究了該模型流道在設(shè)計(jì)型線下的流動(dòng)特性；對(duì)比數(shù)值計(jì)算，顯示出該流場(chǎng)的局部流動(dòng)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地驗(yàn)證了湍流模型數(shù)值計(jì)算方法可應(yīng)用于慣性粒子分離器流道流場(chǎng)特性的研究。

粒子分離器；流場(chǎng)特性；PIV試驗(yàn)；數(shù)值模擬

由于空氣中帶有砂塵，發(fā)動(dòng)機(jī)直接吸入含塵量高的空氣介質(zhì)時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)通道的磨損和設(shè)備的破壞，如在沙漠地帶運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)就受到嚴(yán)峻的考驗(yàn)。整體式慣性粒子分離器來(lái)源于現(xiàn)代直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用的一種進(jìn)氣防護(hù)裝置，主要依靠吸氣流道的曲率變化和壁面對(duì)外物的反彈來(lái)分離外物，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可推廣至其他類型的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，如地面燃機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等。

國(guó)外從20世紀(jì)70年代開(kāi)始從事粒子分離器流道研究工作，如Dominic B[1]等人首次使用PIV測(cè)試技術(shù)對(duì)粒子分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)?？紤]到環(huán)形粒子分離器周向壁面彎曲，PIV測(cè)試存在一定困難，Dominic B將環(huán)形通道簡(jiǎn)化為矩形截面通道模型，并據(jù)此比較了三種不同外壁型線下的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，證實(shí)了在清除流通道進(jìn)口處典型回流渦的存在。

國(guó)內(nèi)從90年代末開(kāi)始進(jìn)行粒子分離器相關(guān)研究，2000年侯凌云[2]等數(shù)值模擬了某型慣性粒子分離器的二維有粘軸對(duì)稱流場(chǎng)分布。以某型粒子分離器為研究對(duì)象，在三維非正交曲線坐標(biāo)系下計(jì)算湍流分叉流動(dòng)和砂粒運(yùn)動(dòng)。Floria Paoli[3]等研究者針對(duì)不同進(jìn)口雷諾數(shù)、不同清除比的進(jìn)口粒子分離器進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)細(xì)致分析不同截面上的速度場(chǎng)和總壓損失系數(shù)，顯示在分離通道內(nèi)存在明顯的低速區(qū)域和渦結(jié)構(gòu)，同時(shí)在該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了大的流動(dòng)分離。2014年，孫亮亮[4]等研究者首次采用PIV技術(shù)對(duì)慣性粒子分離器彎曲雙出口通道模型進(jìn)行內(nèi)部流動(dòng)測(cè)試，分析其清除流通道進(jìn)口渦結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其對(duì)分離效率的影響。

文章針對(duì)一種無(wú)預(yù)旋慣性粒子分離器流道簡(jiǎn)化的矩形截面模型，對(duì)流道各區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)行分段測(cè)量，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果，進(jìn)而分析了該參數(shù)模型中各位置的流動(dòng)特點(diǎn)，為粒子分離器的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 被試件

由于PIV測(cè)量試驗(yàn)需要使用激光照亮流道內(nèi)部，采用CCD相機(jī)進(jìn)行拍攝，文章所使用的被試件除標(biāo)準(zhǔn)件外全部采用透明的有機(jī)玻璃作為材料。由于實(shí)際使用的粒子分離器流道為環(huán)形，表面為曲面的有機(jī)玻璃會(huì)使相機(jī)拍攝的圖像扭曲，因此，被試件設(shè)計(jì)成矩形截面模型（如圖1）。即將流道的軸截面向其法線方向拉伸200mm而成，其流道進(jìn)出口尺寸見(jiàn)圖2。

圖1 被試件圖Fig.1 Test model

圖2 流道尺寸圖/(mm)Fig.2 Flow tunnel size(mm)

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)流程

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖3所示。圖3中數(shù)字分別代表：1示蹤粒子發(fā)生器；2粒子分離器測(cè)試臺(tái)；3砂塵收集系統(tǒng)；4旋風(fēng)分離器；5，6渦街流量計(jì)；7，8，9，10氣路調(diào)節(jié)閥；11，12抽氣風(fēng)機(jī)；13PIV測(cè)試系統(tǒng)。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test system

試驗(yàn)前，對(duì)PIV測(cè)試系統(tǒng)13進(jìn)行布局和激光拍攝面調(diào)試。測(cè)試中啟動(dòng)11，12兩臺(tái)抽氣風(fēng)機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)12的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)主氣流流量，通過(guò)調(diào)節(jié)7，9兩個(gè)閥門的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)清除流流量，將5，6兩臺(tái)渦街流量計(jì)的流量值分別調(diào)到0.17kg/s（SCR為20%）和0.85kg/s，待狀態(tài)穩(wěn)定后，開(kāi)啟示蹤粒子發(fā)生器1進(jìn)行投放，示蹤粒子為高溫霧化煙油，粒徑約0.5～5μm之間。

1.3 PIV測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)

PIV測(cè)量系統(tǒng)主要由成像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)組成。其中成像系統(tǒng)主要包括激光器、光導(dǎo)壁及片光源、相機(jī)圖像采集系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)。文中采用德國(guó)LaVision公司的PIV測(cè)試系統(tǒng)，PIV系統(tǒng)的激光器為雙諧振脈沖式Nd：YAG激光器，激光脈沖最高頻率為15Hz，每個(gè)脈沖能量200mJ，激光波長(zhǎng)532nm，片光源最小厚度為0.5mm。CCD相機(jī)像素為2 448×2 050。圖像處理系統(tǒng)為L(zhǎng)aVision公司自行開(kāi)發(fā)的Davis軟件，主要對(duì)CCD相機(jī)采集到的圖片進(jìn)行互相關(guān)處理，并且顯示速度矢量。試驗(yàn)時(shí)，查詢區(qū)域設(shè)定為64×64個(gè)像素單位，兩幀圖像間隔時(shí)間Δt設(shè)定為（10～20）μs（根據(jù)拍攝區(qū)域的流速而選擇），激光頻率設(shè)置為7Hz。

2 數(shù)值計(jì)算方法

數(shù)值模擬幾何模型的網(wǎng)格劃分采用ICEM軟件，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)156.3萬(wàn)，第一層網(wǎng)格壁面無(wú)量綱距離30～60，適合k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。邊界條件根據(jù)測(cè)試條件取進(jìn)口總壓101 325Pa，總溫288.15K；主氣流出口質(zhì)量流量為0.85kg/s，清除流出口質(zhì)量流量為主氣流流量的20%。網(wǎng)格示意圖如圖4所示，流場(chǎng)中部截面速度與流線分布如圖5所示。

圖4 三維網(wǎng)格圖Fig.4 Three-dimensional mesh

圖5 流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果圖Fig.5 Numerical simulation results of flow field

3 被試件流道各位置流動(dòng)特點(diǎn)

由于PIV拍攝平面窗口大小有限，考慮到圖片中示蹤粒子辨識(shí)像素對(duì)應(yīng)尺度，分別選取了不同位置的窗口進(jìn)行拍攝（如圖6），包括進(jìn)口位置A、駝峰位置B、清除流進(jìn)口區(qū)域C和主流通道區(qū)域D，分別進(jìn)行流場(chǎng)特征分析和與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比，以判別數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖6 流場(chǎng)拍攝區(qū)域的劃分圖Fig.6 Division of flow field

3.1 進(jìn)口位置與駝峰位置流動(dòng)特性

從圖7可以看出：進(jìn)口位置數(shù)值計(jì)算結(jié)果與PIV測(cè)量結(jié)果所呈現(xiàn)的流場(chǎng)特性基本一致。包括：進(jìn)口平直段流速都分布比較均勻，在平直段與駝峰型線的交匯處，存在一個(gè)低速區(qū)，越靠近該點(diǎn)速度越低，因此型線優(yōu)化時(shí)可考慮將該處進(jìn)行平滑處理。進(jìn)入駝峰區(qū)域后隨著流道逐漸變窄，流速逐漸增加。從圖8中可以看出：在圖5橫坐標(biāo)為-0.1m處，PIV測(cè)量的結(jié)果顯示流速沿Y坐標(biāo)分布不均勻，而數(shù)值計(jì)算結(jié)果則非常均勻，除兩端附面層速度梯度較大外，其余的Y坐標(biāo)范圍內(nèi)流速在61.4m/s到63.3m/s之間，變化幅度不大于1.9m/s，即3%，且基本呈線性。而PIV測(cè)量的速度最小值為59.54m/s，最大值為64m/s，變化幅度為4.46m/s，即7%。PIV測(cè)量與數(shù)值計(jì)算的速度最大值相差0.7m/s，即1%。PIV測(cè)量的速度平均值為62.39m/s，數(shù)值計(jì)算的速度平均值（不含附面層）為62.1m/s，兩者相差0.29m/s，在0.5%以內(nèi)。因PIV測(cè)量時(shí)對(duì)流道進(jìn)行了掩模處理，因此得不到附面層里的流動(dòng)信息。

圖7 PIV測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比圖Fig.7 Comparison of PIV measurement results and numerical simulation results in inlet

圖8 進(jìn)口位置速度隨Y坐標(biāo)值的變化（黑色）圖Fig.8 Variation of velocity withYcoordinate in the inlet (black)

3.2 駝峰附近流動(dòng)特性

從圖9可以看出駝峰位置數(shù)值計(jì)算結(jié)果與PIV測(cè)量結(jié)果所呈現(xiàn)的流場(chǎng)特性基本一致。包括：進(jìn)入駝峰區(qū)域后隨著流道逐漸變窄，流速逐漸增加，到駝峰最頂端的最窄喉道處流速最高，并且高速區(qū)更靠近中心體一側(cè)，且在頂點(diǎn)處達(dá)到最大，在140m/s左右。然后，隨著流道逐漸變寬，流速逐漸減小。從圖10可以看出：在圖5橫坐標(biāo)為0.12m處，PIV測(cè)量的流速沿Y坐標(biāo)分布比較平緩，而數(shù)值計(jì)算結(jié)果則略陡。兩者的共同點(diǎn)為：隨Y坐標(biāo)值減小而速度遞增，即越靠近中心體速度越大（不考慮附面層）。在靠近流道上壁面，兩者速度最小值基本接近（不考慮附面層），大約在111m/s附近，速度差值僅0.12m/s，即0.1%。而靠近中心體壁面，數(shù)值計(jì)算得出的速度最大值為143m/s，而PIV測(cè)量得到的速度最大值為136.69m/s，兩者差值為6.31m/s，不到5%。

圖9 PIV測(cè)量結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖Fig.9 Comparison of PIV measurement results and numerical simulation results in the hump

圖10 駝峰位置速度隨Y坐標(biāo)值的變化（灰色）圖Fig.10 Variation of the velocity along withYcoordinates in the hump(gray)

3.3 分叉及清除流位置流動(dòng)特性

從圖11可以看出分叉位置數(shù)值計(jì)算結(jié)果與PIV測(cè)量結(jié)果所呈現(xiàn)的流場(chǎng)特性基本一致。包括：進(jìn)入分叉流道后，氣流被劈尖分成兩股，劈尖一側(cè)進(jìn)入清除流流道，一側(cè)進(jìn)入主氣流流道，進(jìn)入主氣流流道的氣流在靠近中心體駝峰后段區(qū)域存在一個(gè)低速區(qū)（存在氣流分離），而在劈尖下方存在一個(gè)高速區(qū)。進(jìn)入清除流流道的氣流在進(jìn)口處產(chǎn)生一個(gè)很明顯的回流渦，使清除流中正向流動(dòng)的氣流主要沿內(nèi)側(cè)壁面流動(dòng)。

圖11 PIV測(cè)量結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖Fig.11 Comparison of PIV measurement results and numerical simulation results in the forg part

從圖12可以看出清除流位置數(shù)值計(jì)算結(jié)果與PIV測(cè)量結(jié)果都呈現(xiàn)了一個(gè)逆時(shí)針的回流渦，回流渦中心都處在清除流支流的進(jìn)口處。因回流渦產(chǎn)生流管堵塞，使趨向進(jìn)入清除流的氣流進(jìn)入了主氣流。從圖中回流渦中心與劈尖前沿的相對(duì)位置來(lái)看，兩者沿X軸方向距劈尖前沿的距離均約20mm，相差不明顯。對(duì)貫穿回流渦中心（即在圖5中橫坐標(biāo)為0.26m）的截面進(jìn)行分析，如圖13。數(shù)值計(jì)算與PIV測(cè)量得出的回流渦中心位置沿Y方向的坐標(biāo)有所不同，數(shù)值計(jì)算得出的回流渦中心位置縱坐標(biāo)為0.215m，而PIV測(cè)量得出的縱坐標(biāo)為0.222 5m，兩者相差0.007 5m，即7.5mm，PIV測(cè)量的回流渦中心位置更靠近流道上壁面。此外，對(duì)比沿X軸速度分量，數(shù)值計(jì)算得出的X軸速度分量最大值較PIV測(cè)量的結(jié)果偏大，其最大速度為28.8m/s，而PIV測(cè)量得出的沿X軸正方向的最大速度為26.28m/s，相差2.52m/s，不到10%。對(duì)比沿X軸負(fù)方向的最大速度，數(shù)值計(jì)算為14.2m/s，而PIV測(cè)量結(jié)果為11.64m/s，相差2.56m/s，即22%。數(shù)值計(jì)算與PIV測(cè)量所得出的沿X軸正方向的最大速度均是負(fù)方向最大速度的兩倍多，清除流主流主要沿流道下壁面流動(dòng)。

圖12 回流渦放大圖Fig.12 Enlarged figure of the backflow vortex

圖13 清除流位置Vx隨Y坐標(biāo)值的變化圖Fig.13 Variation ofVxwith theYcoordinate value in the clear flow

3.4 主氣流位置流動(dòng)特性

從圖14可以看出主氣流位置數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與PIV測(cè)量結(jié)果所呈現(xiàn)的流場(chǎng)特性基本一致。包括：隨著主氣流流道進(jìn)口處由窄變寬，流速逐漸減小，進(jìn)口靠近劈尖位置處為主氣流中流速最高的位置，達(dá)到120m/s以上。從圖15可以看出：在圖5的主氣流區(qū)域橫坐標(biāo)為0.24m處，PIV測(cè)量的流速沿Y坐標(biāo)分布比較平緩，而數(shù)值計(jì)算結(jié)果則略陡，在Y坐標(biāo)0.145mm到0.175mm范圍內(nèi)的主流區(qū)，兩者流速基本吻合，相差不到1%。在靠近劈尖的縱坐標(biāo)為0.187m處的流速達(dá)到最大，PIV測(cè)量得

圖14 PIV測(cè)量結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖Fig.14 Comparison of PIV measurement results and numerical simulation results

圖15 主氣流位置速度隨Y坐標(biāo)值的變化圖Fig.15 Variation of velocity with theYcoordinate in the main flow

到的速度最大值為122.5m/s，而數(shù)值計(jì)算得出的速度最大值為131m/s，后者較前者大8.5m/s，即6%。

4 結(jié)論

通過(guò)此次試驗(yàn)研究，對(duì)慣性粒子分離器在高速流動(dòng)工況下流道中各位置的流動(dòng)結(jié)構(gòu)有了明確認(rèn)識(shí)，得到了粒子分離器流道各區(qū)域的流場(chǎng)特性，同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算方法基本可靠，可以在后續(xù)的研究中對(duì)其他工況進(jìn)行分析。同時(shí)為慣性粒子分離器的設(shè)計(jì)研究提供了可靠的依據(jù)，為突破粒子分離器流道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

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PIV Measurements of the Flow Field Characteristics in an Inertial Particle Separator

Ming Zhi1,2Wei Li1Tong Wang2
（1.AECC Hunan Aviation Power Plant Research Institute；2.School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University）

The inertial particle separator is a standard component of a helicopter engine because of its small flow losses and good separation function for sand and dust.In this paper，PIV measurements were conducted to determine the flow characteristics in a model of an inertial particle separator in the rectangular section in the inlet,the area around the hump including the scavenge flow,frog and also main flow.Comparing the experiment results with numerical simulation results,it shows that numerical simulation with an appropriate turbulence model can a reliable tool to predict the flow field characteristics in the inertial particle separator.

inertial particle separator，flow field characteristics，PIV experimental research，numerical simulation

TK05

1006-8155（2017）02-0056-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.02.0010

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51276108）

2016-08-20 湖南 株洲 412002