美國全尺寸風(fēng)洞中的PIV系統(tǒng)

戰(zhàn)培國

中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 計(jì)算空氣動(dòng)力研究所，四川 綿陽 621000

流動(dòng)顯示是認(rèn)知飛行器與空氣相互作用機(jī)理、分析氣動(dòng)現(xiàn)象、改進(jìn)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的重要試驗(yàn)研究手段，測(cè)量顯示結(jié)果也是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）工具驗(yàn)證的重要參考。在流動(dòng)測(cè)量和顯示領(lǐng)域，粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，發(fā)展了二維/二分量、二維/三分量、全息/三分量、解析時(shí)間、微型等多種PIV測(cè)量形式，形成了多種品牌的PIV商業(yè)化產(chǎn)品，如美國的TIS、德國的Lavision、丹麥的Dantec等[1~3]。從20世紀(jì)90年代后期開始，國外PIV應(yīng)用開始從小型研究風(fēng)洞進(jìn)入大型工業(yè)生產(chǎn)風(fēng)洞，主要用于飛行器復(fù)雜流場(chǎng)診斷和CFD工具驗(yàn)證[4~6]。2009年，在美國航空航天局（NASA）基礎(chǔ)航空計(jì)劃亞聲速旋翼機(jī)項(xiàng)目的需求牽引下，NASA在全尺寸風(fēng)洞中建立了PIV測(cè)量系統(tǒng)[7]。

1 美國全尺寸風(fēng)洞

風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸是風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰Φ囊粋€(gè)重要指標(biāo)，它決定著風(fēng)洞能夠承受的最大試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?。為了最大限度地滿足風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M相似條件的要求，減少模型縮尺帶來的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不確定度影響，美國在20世紀(jì)30年代開始發(fā)展全尺寸亞聲速風(fēng)洞。

1.1 蘭利全尺寸風(fēng)洞（LFST）

1931年，美國國家航空咨詢委員會(huì)（NACA ，NASA前身）蘭利航空實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了雙回路布局、橢圓開口試驗(yàn)段的蘭利全尺寸風(fēng)洞（LFST），試驗(yàn)段尺寸：9m（高）×18m（寬）×17m（長），試驗(yàn)風(fēng)速54m/s。

LFST經(jīng)歷過第二次世界大戰(zhàn)期間大量的全尺寸型號(hào)試驗(yàn)；20世紀(jì)50—60年代開展了各種飛行器的基礎(chǔ)和技術(shù)預(yù)研，如航天飛機(jī)、升力體、垂直/短距起落（V/STOL）飛機(jī)、直升機(jī)、可變性機(jī)翼概念、超聲速運(yùn)輸機(jī)、登月計(jì)劃等。該風(fēng)洞除具有進(jìn)行全尺寸模型或真實(shí)飛機(jī)試驗(yàn)?zāi)芰ν猓€是NASA亞聲速模型自由飛試驗(yàn)的指定風(fēng)洞。20世紀(jì)90年代后期，美國國家風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備開始“去產(chǎn)能”（從1993年到2006年，消減了50%），許多冗余設(shè)備被拆除，如蘭利4.8m跨聲速風(fēng)洞等，LFST被關(guān)停，后被舊多米寧大學(xué)接管運(yùn)營，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，在航空航天、風(fēng)工程和工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮作用。

2003年和2006年，LFST遭遇兩次罕見的暴風(fēng)雨襲擊，風(fēng)洞損毀嚴(yán)重?？紤]到恢復(fù)和維持成本，2011年，NASA拆除了該風(fēng)洞。

1.2 美國國家全尺寸空氣動(dòng)力設(shè)施

為滿足飛機(jī)起降、全尺寸垂直/短距起落飛機(jī)和旋翼機(jī)試驗(yàn)研究需要，美國于1944年建設(shè)了12.2m×24.4m（40ft×80ft）風(fēng)洞。20世紀(jì)80年代，在12.2m×24.4m風(fēng)洞的洞體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，NASA又建設(shè)了24.4m×36.6m風(fēng)洞，風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸：24.4m（高）×36.6m（寬）×57.9m（長），最大試驗(yàn)風(fēng)速50m/s。并且把兩個(gè)風(fēng)洞統(tǒng)稱為國家全尺寸空氣動(dòng)力設(shè)施（NFAC）。

NFAC全尺寸風(fēng)洞進(jìn)行了上百個(gè)各種布局的飛行器、約500項(xiàng)試驗(yàn)研究，在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、短距垂直起落飛機(jī)、直升機(jī)等飛行器研究上發(fā)揮了重要作用。

目前，在世界發(fā)達(dá)國家的國家航空航天研究機(jī)構(gòu)中，只有美國的NASA、俄羅斯的TsAGI擁有全尺寸亞聲速風(fēng)洞。NASA的NFAC是世界最大的全尺寸風(fēng)洞，是美國亞聲速領(lǐng)域的核心試驗(yàn)設(shè)備，是全尺寸旋翼試驗(yàn)的首要設(shè)備。為了滿足航空航天風(fēng)洞試驗(yàn)精細(xì)化發(fā)展的需要，NASA于2010年為NFAC配套了旋翼試驗(yàn)PIV測(cè)量系統(tǒng)。

2 美國NFAC全尺寸風(fēng)洞中的PIV

NFAC的12.2m×24.4m試驗(yàn)段，最大試驗(yàn)風(fēng)速150m/s。為了滿足旋翼機(jī)試驗(yàn)研究需要，NFAC發(fā)展了配套的PIV測(cè)量系統(tǒng)。PIV系統(tǒng)的設(shè)備配置主要包括：激光器Spectra-Physics PIV-400 laser（Nd：YAG），350mJ/脈沖，15Hz；同步器TSI Model 610035；示蹤粒子4個(gè)MDG MAX 5000 HO粒子發(fā)生器，礦物油燃燒產(chǎn)生的煙粒子直徑0.5~0.7μm；相機(jī) TSI PowerView Plus 11Mp，像素 4008×2672，拍攝速率2.4fps；計(jì)算軟件 Insight 3G（TSI），proVISION（IDT）；雙平面校準(zhǔn)板面積2.4 m×1.2m。

（1）光路設(shè)計(jì)

將激光片光投射到試驗(yàn)觀測(cè)區(qū)是光路設(shè)計(jì)的任務(wù)。為了減少對(duì)洞體的改動(dòng)，首先最大限度地利用NFAC試驗(yàn)段已有的開口，但為了避開模型阻擋光路，還是在比已有窗口的更高位置新增建了一個(gè)安裝反射鏡的窗口，如圖1所示。

圖1 PIV系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)Fig.1 PIV system optical design

（2）照相機(jī)設(shè)置

在測(cè)量區(qū)上、下游的洞壁拍攝窗口各設(shè)置一個(gè)照相機(jī)，從兩個(gè)不同角度拍攝的照相機(jī)盡可能按保持最大的相同覆蓋區(qū)來設(shè)置，如此它們距離激光片光拍攝區(qū)的距離約2.4m。拍攝窗口有一個(gè)移動(dòng)支架，便于相機(jī)在外邊安裝和進(jìn)入，在移動(dòng)支架上有固定相機(jī)的支撐板，支撐板可以旋轉(zhuǎn)并有隔振墊，防止洞壁震動(dòng)引起移動(dòng)。相機(jī)系統(tǒng)的遙控裝置可以調(diào)節(jié)相機(jī)拍攝角度和焦距調(diào)整，洞壁窗口內(nèi)同時(shí)安裝試驗(yàn)錄像機(jī)。

（3）激光發(fā)射系統(tǒng)

激光器發(fā)射系統(tǒng)在激光安全箱中（如圖2所示），該箱子由兩層構(gòu)成，內(nèi)層是鋁制可伸縮箱子，外套激光安全防護(hù)簾。洞體頂門打開時(shí)，為了防止對(duì)激光裝置沖擊，箱子前部需要收縮回來。激光器型號(hào)為：Spectra-Physics PIV-400 laser（Nd：YAG），350mJ/脈沖，頻率 15Hz，波長 532nm，脈沖寬度5ns，光束直徑9mm，光束發(fā)散角小于0.5mrad。

我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展大力推動(dòng)了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，大跨度橋梁建設(shè)項(xiàng)目呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢(shì)，其中，大部分基礎(chǔ)形式采用樁基礎(chǔ)，而且樁徑與樁長也在不斷增加。大直徑超長樁基礎(chǔ)擁有整體剛度大、承載能力強(qiáng)、變形小、沉降穩(wěn)定快、抗震性能好等優(yōu)勢(shì)，逐漸得到了建筑施工界的普遍認(rèn)可與應(yīng)用研究。目前，我國大多數(shù)超長樁基成孔采用的設(shè)備是反循環(huán)設(shè)備，而本項(xiàng)目選用大功率旋挖鉆進(jìn)行成樁，成樁效果較好。通過對(duì)成樁傾斜度控制技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)我國今后項(xiàng)目施工具有非常重要的借鑒作用。

圖2 激光發(fā)射安全箱和內(nèi)部光學(xué)裝置Fig.2 Laser safety enclosure and optical device inside

（4）激光反射鏡系統(tǒng)

在激光發(fā)射系統(tǒng)對(duì)面的風(fēng)洞洞壁上新改造了激光反射鏡系統(tǒng)，如圖3所示。主要由控制箱和反射鏡口箱兩部分組成。反射鏡高0.9m，寬0.3m。安裝在洞體的反射鏡口箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。由激光發(fā)射器投射過來的激光片光高度調(diào)為1.5m，取中間片光厚度均勻的0.9m投射到反射鏡上?？刂葡鋬?nèi)的電源和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠精確調(diào)整反射鏡的俯仰和偏轉(zhuǎn)角度。反射鏡對(duì)面洞壁上貼有間隔6mm的兩條垂直膠帶，用作投射位置標(biāo)定用的參考線，以此確定片光打到了所需的測(cè)量面上。

圖3 激光反射鏡系統(tǒng)裝置Fig.3 Laser mirror device

圖4 激光反射鏡裝置Fig.4 Laser mirror system

（5）同步器

TSI激光脈沖同步器 Model 610035用于自動(dòng)控制激光脈沖和PIV相機(jī)之間的計(jì)時(shí)同步。同步器通過TSI內(nèi)嵌軟件控制需要計(jì)時(shí)采集的跨幀照片。同步器產(chǎn)生激光閃光燈、Q-開關(guān)、照相機(jī)和抓拍器的控制信號(hào)并自動(dòng)同步。

（6）示蹤粒子發(fā)生器系統(tǒng)

示蹤粒子由4個(gè)高輸出MDG MAX 5000 HO粒子發(fā)生器產(chǎn)生，發(fā)生器安裝在風(fēng)洞穩(wěn)定段地板上，沿展向均勻分布。礦物油加熱產(chǎn)生的煙粒子直徑0.5~0.7μm，煙粒子由高壓氮?dú)猓馄吭陲L(fēng)洞外）吹入風(fēng)洞氣流中。此外，高壓氮?dú)庖灿糜诩訜崮K的清潔，如圖5所示。

圖5 示蹤粒子發(fā)生器系統(tǒng)Fig.5 Seeder system

（7）相機(jī)校準(zhǔn)

相機(jī)校準(zhǔn)使用TSI軟件和一個(gè)雙平面校準(zhǔn)板，這樣可以快速確定相機(jī)拍攝的范圍和位置。整個(gè)拍攝區(qū)面積大約寬4.3m，高1.2m，但如果制造如此大的一個(gè)雙平面板并懸掛于6m高空中，既昂貴又難以保持穩(wěn)定。因此，板的面積選定為寬2.4m，高1.2m，移動(dòng)一次就可以完成整個(gè)拍攝區(qū)的校準(zhǔn)。板上鉆有直徑10mm的小孔，按25×11排列，如圖6所示。

圖6 相機(jī)校準(zhǔn)Fig.6 Camera calibration

（8）安全管控系統(tǒng)

由于全尺寸風(fēng)洞PIV系統(tǒng)工作區(qū)分布廣，如激光遙控在二樓數(shù)據(jù)采集機(jī)房，試驗(yàn)段人員通道在三樓，激光發(fā)射系統(tǒng)安全箱在四樓，所以激光系統(tǒng)安全管控非常重要。PIV作為風(fēng)洞標(biāo)配測(cè)量設(shè)備，建立了完善遙控測(cè)量和試驗(yàn)安全監(jiān)視體系，試驗(yàn)段入口和激光器設(shè)備箱通道具有自動(dòng)切斷激光保護(hù)裝置；激光器設(shè)備箱內(nèi)外、試驗(yàn)段門口和PIV數(shù)據(jù)采集處都有應(yīng)急激光切斷開關(guān)；位于穩(wěn)定段的粒子發(fā)生器有紅外攝像機(jī)監(jiān)視。操作人員在機(jī)房能夠?qū)IV系統(tǒng)測(cè)量進(jìn)行遙控調(diào)整。

3 全尺寸風(fēng)洞中應(yīng)用的幾個(gè)問題

（2）示蹤粒子的可用性。示蹤粒子是影響該技術(shù)應(yīng)用效果的一個(gè)關(guān)鍵因素。涉及示蹤粒子主要有4個(gè)方面的問題：一是粒子的可用性，包括對(duì)環(huán)境的影響、成本、如何產(chǎn)生并引入氣流中；二是粒子的統(tǒng)計(jì)偏差影響；三是對(duì)流動(dòng)動(dòng)力學(xué)的響應(yīng)能力；四是對(duì)空間的解析力。油基類粒子對(duì)大型工業(yè)風(fēng)洞的污染和以后可能對(duì)其他光學(xué)測(cè)量試驗(yàn)產(chǎn)生的影響是一個(gè)不可忽視的問題。

（3）PIV的商品化與大型風(fēng)洞的差異化。盡管PIV技術(shù)已經(jīng)成熟并商品化，但在大型工業(yè)風(fēng)洞應(yīng)用仍面臨許多挑戰(zhàn)。對(duì)大多數(shù)大型工業(yè)風(fēng)洞而言，在設(shè)計(jì)建造的過程中沒有考慮PIV系統(tǒng)應(yīng)用的要求，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)可能對(duì)PIV光路產(chǎn)生制約，粒子的有效播撒途徑也是難點(diǎn)，復(fù)雜的流場(chǎng)測(cè)試環(huán)境和測(cè)試目標(biāo)影響PIV測(cè)量可用性。因此，盡管PIV已經(jīng)商品化，但在大型工業(yè)風(fēng)洞中應(yīng)用仍需要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究。

（4）PIV與傳統(tǒng)流動(dòng)顯示技術(shù)。PIV在大型工業(yè)風(fēng)洞應(yīng)用是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，大型工業(yè)風(fēng)洞需要考慮可靠性、成本和效率。因此，需要PIV與傳統(tǒng)流動(dòng)顯示技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用，PIV主要用于復(fù)雜流場(chǎng)的測(cè)量，通常不僅是為了傳統(tǒng)意義上的“顯示”，也是為了細(xì)化型號(hào)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和發(fā)展CFD工具。大型工業(yè)風(fēng)洞型號(hào)試驗(yàn)和飛行器精細(xì)化設(shè)計(jì)對(duì)PIV技術(shù)有應(yīng)用需求，同時(shí)，方便實(shí)用的傳統(tǒng)絲線、油流、紋影、陰影等流動(dòng)顯示工具仍將在大型工業(yè)風(fēng)洞中發(fā)揮重要作用并不斷創(chuàng)新發(fā)展，如油膜干涉測(cè)量、基于背景的紋影等。

4 結(jié)束語

PIV技術(shù)在國外各類大型工業(yè)風(fēng)洞中的普遍應(yīng)用提升了風(fēng)洞的試驗(yàn)?zāi)芰?，利用PIV技術(shù)，科研人員能夠更好地觀察和分析飛行器的繞流流場(chǎng)，優(yōu)化和改進(jìn)飛行器的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，提高飛行器的精細(xì)化設(shè)計(jì)水平。PIV技術(shù)在國外大型工業(yè)風(fēng)洞中應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)表明，PIV系統(tǒng)雖已形成商品并商業(yè)化，但實(shí)際應(yīng)用需要結(jié)合具體風(fēng)洞結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)特征設(shè)計(jì)相關(guān)光路和軟硬件系統(tǒng)，需要根據(jù)不同風(fēng)洞特點(diǎn)選擇和設(shè)計(jì)粒子發(fā)生器及引入位置。因此，PIV在大型工業(yè)風(fēng)洞中應(yīng)用，需要風(fēng)洞工程技術(shù)人員和PIV產(chǎn)品開發(fā)商共同努力。

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