PIV技術(shù)在3通道擴壓器試驗中的應(yīng)用

趙 鵬，張玉光，張寶華

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

擴壓器是燃燒室的重要部件之一，近年來隨著高推重比航空發(fā)動機的研制，高效的燃燒室擴壓器技術(shù)備受關(guān)注。隨著燃燒室進(jìn)口馬赫數(shù)的不斷提高，燃燒組織方式的改變，頭部進(jìn)氣量的增大，對擴壓器設(shè)計提出了新的要求[1-2]。3通道擴壓器可以看作是短突擴壓器的發(fā)展，前置擴壓段內(nèi)設(shè)有2個分流楔板是其主要結(jié)構(gòu)特征。該類型擴壓器不僅縮短了結(jié)構(gòu)長度，減小了突擴損失，而且可有效減少前置擴壓器的流動分離，目前GP7200、GEnx及F136發(fā)動機燃燒室均已采用3通道擴壓器。但國內(nèi)對此研究甚少[3-5]。

近年來，非接觸式瞬態(tài)流場測試（Particle Image Velocimetry，PIV）技術(shù)已大量應(yīng)用于燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場試驗以及熱態(tài)燃燒試驗之中，不同于常規(guī)試驗測量中所使用的總壓探針、總溫探針和壁面靜壓等手段，該技術(shù)有效解決了常規(guī)試驗中單點測量以及探針對流場的干擾問題，尤其在新型擴壓器及燃燒室的試驗探究中起到了至關(guān)重要的作用。早期Fishenden和Steven研究了突擴擴壓器在較大范圍內(nèi)的性能參數(shù)，分析了前置擴壓器幾何形狀的影響[6]；A.Panduranga Reddy等利用PIV技術(shù)研究了突擴燃燒室內(nèi)的流場特性，針對旋流的特性對不同區(qū)域流場進(jìn)行分析[7]；李昊等利用PIV技術(shù)對2種不同突擴比燃燒室的冷態(tài)流場進(jìn)行試驗分析，研究表明突擴比的改變對燃燒室突擴面后的流場結(jié)構(gòu)影響很小[8]；Prakash等研究了不同的燃燒室形狀對擴壓器性能的影響，試驗獲得了擴壓器壁面靜壓[9]；趙堅行、何小民等論述了擴壓器數(shù)值模擬的方法，并測量了擴壓器的壓力特性[10-11]。

目前，國外已經(jīng)將PIV技術(shù)大量應(yīng)用于擴壓器及燃燒室內(nèi)流場分析中，得到各類擴壓器的性能數(shù)據(jù)，但國內(nèi)較少針對3通道擴壓器等先進(jìn)擴壓器開展PIV技術(shù)的試驗研究。本文基于3通道擴壓器的2元試驗件，利用PIV技術(shù)開展擴壓器內(nèi)冷態(tài)流場試驗，觀察并記錄每個狀態(tài)點擴壓器內(nèi)流場詳細(xì)信息。

1 試驗件及測試裝置

1.1 試驗試件

該2元多通道擴壓器試驗試件主要由前置擴壓器和火焰筒頭部帽罩模型2部分組成，而前置擴壓器由擴壓器通道與分流楔板組成，如圖1所示，圖中入口、間隙、內(nèi)部、中部和外部尺寸分別由Le、Lc、Li、Lm、Lo表示。根據(jù)國內(nèi)外研究資料以及前期大量的計算工作，最終確定3種前置擴壓器方案和4種頭部帽罩方案，本文通過PIV技術(shù)研究不同前置擴壓器與頭部帽罩組合下的流場特性，優(yōu)選出最佳組合方案。前置擴壓器依據(jù)出口高度的不同分為前置擴壓器A、B、C，而頭部帽罩依據(jù)突擴間隙的不同分為頭部帽罩A、B、C、D，以上7種部件的關(guān)鍵尺寸與擴壓器入口尺寸的比值見表1。試驗試件上設(shè)置光學(xué)通路和相機采集觀察窗，可對圖 1 中“Lc”區(qū)域（即前置擴壓器出口）進(jìn)行2維流場測量。此外，在擴壓器試驗件的進(jìn)、出口處安裝必要的壓力采集接口，用來監(jiān)視試驗狀態(tài)與分析PIV結(jié)果。

圖1 2元3通道擴壓器結(jié)構(gòu)剖面

表1 不同部件關(guān)鍵尺寸參數(shù)

1.2 PIV系統(tǒng)

PIV技術(shù)是在流場顯示基礎(chǔ)上利用不斷高速發(fā)展的計算機圖像處理技術(shù)對流場顯示進(jìn)行定量化測量，從而實現(xiàn)對流場的瞬態(tài)測量。PIV技術(shù)在本質(zhì)上是圖像分析技術(shù)的1種，采用時間間隔很短的2個脈沖光源照亮所需要測量的流場，利用CCD將所照明的流場中的示蹤介質(zhì)記錄下來，利用計算機進(jìn)行圖像處理得到速度場的信息[12-13]。

本文采用的PIV系統(tǒng)是TSI公司的最新圖像處理技術(shù)、CCD技術(shù)以及PowerView技術(shù)，其主要由照明光源、圖像采集以及數(shù)據(jù)后處理等系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。照明光源系統(tǒng)包括1臺雙脈沖YAG激光器、片光光學(xué)元件、光束調(diào)節(jié)鏡組與同步控制器，圖像采集系統(tǒng)最小禎間隔約為800 ns，頻率可達(dá)15 fps，其分辨率為2048×2048 pixel，可保證在所有模式下的灰度都為12位，運行模式有Free Run/Triggered Exposure/Frame Straddle 3種可供選擇。后處理系統(tǒng)主要由INSIGHT-NT分析軟件與TECPLOT數(shù)據(jù)可視化軟件組成，該系統(tǒng)有自相關(guān)、互相關(guān)、空間分辨率超細(xì)化分析、可適性算法與高速顯示等諸多算法，支持并行處理，支持基于Intel和Alpha處理器的工作站。要增加查問域額的測量精度時，該系統(tǒng)有4種辦法來增強相關(guān)的峰值：利用軟件包內(nèi)的圖像處理程序提高圖像質(zhì)量；靈活地增加查問域的尺寸，或?qū)Ω魇噶孔詣诱{(diào)整以優(yōu)化空間分辨率和測量精度；查問域可以為正方形或長方形以補償高速度梯度；圖像象素可以為正方形或長方形，以適應(yīng)不同的CCD。

圖2 PIV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 試驗方案

2.1 試驗設(shè)備

試驗在中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所試驗器上進(jìn)行。試驗器能力如下：設(shè)計空氣壓力為4.0 MPa，空氣溫度為20～600℃，空氣流量為0.1～12 kg/s。設(shè)備原理如圖3所示。試驗設(shè)備由進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、PIV系統(tǒng)、電氣及控制等系統(tǒng)組成。試驗時對試驗件進(jìn)、出口的壓力、溫度與空氣流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

圖3 試驗設(shè)備原理

2.2 示蹤粒子投放

示蹤粒子的投放是PIV過程中的重要步驟，粒子的濃度和均勻度起著決定性作用。濃度太高會影響流場，濃度太低又會降低測量的信噪比，無法獲得有效速度場；示蹤粒子的均勻性比較難控制，在本試驗中試驗件為多通道擴壓器，該特殊結(jié)構(gòu)會使流場產(chǎn)生多處回流區(qū)，且壁面處會產(chǎn)生較大的速度梯度，同樣會給圖像采集帶來困難[14-15]。

基于以上論述，本文設(shè)計了1種流化床式粒子釋放器，氣體從該發(fā)生器底部進(jìn)入，使示蹤粒子流化，再通過頂部的孔口排入管道，結(jié)構(gòu)如圖4所示。通過控制粒子釋放器的壓力來調(diào)整粒子釋放濃度，并在每個試驗狀態(tài)的間歇加大試驗件進(jìn)氣量，以便吹掃滯留在試驗件壁面的示蹤粒子。

圖4 PIV粒子釋放器結(jié)構(gòu)

2.3 PIV試驗誤差分析

本次試驗進(jìn)行測量不確定度分析。根據(jù)PIV的測速原理，流場速度測量公式為

式中：α為放大比例；ΔX為像素位移；Δt為時間間隔；δμ為3維速度所引起的測量誤差。

不確定度分析見表2、3。表中μ（Xi）為標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ci為靈敏度系數(shù)；μc為合成不確定度。計算合成不確定度主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度與靈敏度系數(shù)的乘積來計算，首先根據(jù)誤差源確定μ（Xi）值，再將標(biāo)準(zhǔn)不確定度與靈敏度系數(shù)相乘并合成得到初始μc，通過的結(jié)果合成最終的誤差。具體取測試區(qū)域為150×40 mm2，相同流速為50 m/s，參考點距離為40 mm，參考圖像距離為498 pixel，放大系數(shù)α=0.0803 mm/pixel，時間間隔Δt=0.01 ms，目標(biāo)點距離為 500 mm，ΔX=16 pixel。依據(jù)以上數(shù)據(jù)在試驗設(shè)備手冊中對誤差系數(shù)進(jìn)行選取。

2.4 試驗項目

為了滿足未來先進(jìn)結(jié)構(gòu)擴壓器對試驗技術(shù)的需求，在常規(guī)流阻、流量分配試驗的基礎(chǔ)上，將非接觸測試技術(shù)有針對性地應(yīng)用于擴壓器內(nèi)流場分析，以得到擴壓器特性試驗參數(shù)，并拓展擴壓器試驗技術(shù)，形成整套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)流程。

表2 不確定度分析1

表3 不確定度分析2

針對前置擴壓器在同一馬赫數(shù)、不同流量分配下的流場特性，設(shè)計了幾種工況記為A組試驗，見表4。對于頭部帽罩，研究其在不同馬赫數(shù)下流場的特性，同樣設(shè)計了幾種工況記為B組試驗，見表5。應(yīng)用PIV技術(shù)，觀察并記錄每個狀態(tài)點擴壓器內(nèi)流場詳細(xì)信息，包括速度的大小和方向、氣流分離、漩渦等特征，經(jīng)過Insight軟件處理，得到流場云圖。

表4 A組試驗狀態(tài)

表5 B組試驗狀態(tài)

3 試驗結(jié)果及分析

選取頭部帽罩A作為基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，分別對前置擴壓器A、B、C在同一進(jìn)口馬赫數(shù)、不同出口流量分配下，采集流場信息，結(jié)果如圖5～7所示。每幅圖中從左到右4個流場云圖分別對應(yīng)表4中序號1～4的出口流量分配比例狀態(tài)。

圖5 前置擴壓器A在不同出口流量分配比例下的2維流場

圖6 前置擴壓器B在不同出口流量分配比例下的2維流場

圖7 前置擴壓器C在不同出口流量分配比例下的2維流場

對比這3個前置擴壓器出口流場云圖發(fā)現(xiàn)，中心射流的速度明顯要高于內(nèi)、外環(huán)射流速度，外環(huán)射流速度最小，且擴壓器B、C的前置擴壓器內(nèi)、外環(huán)出口流速明顯高于擴壓器A的，另外擴壓器C的外環(huán)出現(xiàn)了射流較早附著帽罩的情況。在2股射流之間，存在明顯的回流區(qū)，對比回流區(qū)流場發(fā)現(xiàn)，擴壓器B的上、下2個回流區(qū)速度不一致，下部回流區(qū)速度比上部回流區(qū)的約高10 m/s，而擴壓器C的出口回流區(qū)寬度較為不統(tǒng)一，下部回流區(qū)比上部回流區(qū)約寬9 mm，前置擴壓器A表現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢。

以前置擴壓器A為基準(zhǔn)，得到不同頭部帽罩在不同進(jìn)口馬赫數(shù)下的流場，如圖8～10所示，每幅圖中從左到右流場云圖依次對應(yīng)表5中試驗序號1～5。

圖8 頭部帽罩B在不同Ma下的2維流場

圖9 頭部帽罩C在不同Ma下的2維流場

圖10 頭部帽罩D在不同Ma下的2維流場

從圖中可見，頭部帽罩D中前置擴壓器出口氣流速度高于其他試驗件的，而頭部帽罩C、D中射流之間的回流區(qū)寬度不均，提高了射流附著情況發(fā)生的概率。對比頭部帽罩A、B在進(jìn)口馬赫數(shù)為0.290、3個出口氣流分配比例分別為0.290、0.365和0.345條件下的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其流場特性較為接近，而頭部帽罩A的回流區(qū)流速更為均勻，表現(xiàn)出稍好的性能。

從PIV測試結(jié)果中可見，無論在哪種組合形式下，流場的結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生較大改變，流場呈3股射流形態(tài)分布，且在2股射流之間存在明顯的回流區(qū)?？傔M(jìn)氣量及Ma保持不變，出口空氣量比例的改變并沒有對流場速度有太大影響。隨著進(jìn)氣量及Ma的增大，流場速度有明顯的提高。通過PIV技術(shù)得到的試驗結(jié)果同時也驗證了傳統(tǒng)壓力場的測試結(jié)果，前置擴壓器A與頭部帽罩A表現(xiàn)出了稍好的性能。

在流阻性能試驗中，前置擴壓器A與頭部帽罩A在相同馬赫數(shù)下的壓力損失要低于其他型號的，如圖11、12所示，進(jìn)一步證明了PIV試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

圖11 不同頭部帽罩總壓損失隨Ma2變化對比

圖12 不同前置擴壓器總壓損失隨Ma2變化對比

4 結(jié)束語

通過對PIV技術(shù)與擴壓器試驗技術(shù)的探究，得到了關(guān)鍵參數(shù)對擴壓器內(nèi)流場特性的影響，并對比了不同擴壓器的性能特征，得到了優(yōu)選后的3通道擴壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)，當(dāng)Lm/Le=0.7、Li/Le=Lo/Le=0.6、Lc/Le=1.82 時擴壓器性能最佳，并在接觸式測試方法與數(shù)值分析方法上得到了驗證。試驗結(jié)果表明，PIV技術(shù)在先進(jìn)擴壓器流場測試方面是直觀且可靠的，可以為擴壓器最終結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計定型提供依據(jù)；本文將PIV技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)擴壓器的試驗研究，形成了成熟可靠的擴壓器試驗技術(shù)手段，可為國內(nèi)擴壓器性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)。

[1]《航空發(fā)動機設(shè)計手冊》總編委會.航空發(fā)動機設(shè)計手冊：第九冊主燃燒室[M].北京：航空工業(yè)出版社，1996：50-85.《AeroengineDesign Manual》editorialcommittee.Main combustion chamber of the volume 9 of aeroengine design manual[M].Beijing：Aviation Industry Press，1996，50-85.（in Chinese）

[2]白瑜光，張玉光，原志超，等.發(fā)動機燃燒室主動冷卻管道的熱-力耦合分析[J].推進(jìn)技術(shù)，2013，34（12）：1621-1627.BAI Yuguang，ZHANG Yuguang，YUAN Zhichao，et al.Analysis for thermal and mechanical coupling in active cooling channels for engine combustor [J].JournalofPropulsion Technology，2013，34（12）：1621-1627.（in Chinese）

[3]Li G，Gutmark E.Effect of exhaust nozzle geometry on combustor flow field and combustion characteristics[J].Proceedings of the Combustion Institute，2005，30（15）：2893-2901.

[4]Hukam C Mongia.Perspective of combustion modeling for gas turbine combustor[R].AIAA-2004-156.

[5]李瀚，索建秦，梁紅俠，等.先進(jìn)燃燒室分配式擴壓器實驗研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2013，34（1）：88-92.LI Han，SUO Jiantai，LIANG Hongxia，et al.Experimental study of distributor type diffuser performance for advanced combustor[J].Journal of Propulsion Technology，2013，34（1）：88-92.（in Chinese）

[6]Fishenden C R，Steven S J.Performance of annular combustor-dump diffusers[J].Journal of Aircraft，1977，14（1）：60-67.

[7]Reddy A P，Sujith R I，Chakravarthy S R.Swirler flow field characteristics in a sudden expansion combustor geometry using PIV[J].Jounral of Propulsion ＆ Power，2015，22（4）：800-808..

[8]李昊，林明，張玉山，等.中心突擴燃燒室PIV實驗研究[J].實驗流體力學(xué)，2011，25（4）：45-49.LI Hao，LIN Ming，ZHANG Yushan，et al.Study on centeral-dump combustor by PIV [J]Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2011，25（4）：45-49.（in Chinese）

[9]Ghose P，Datta A，Mukhopadhyay A.Effect of dome shape on static pressure recovery in a dump diffuser at different inlet swirl[J].International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering，2013（3）：465-471.

[10]何小民，談浩元.短突擴擴壓器與火焰筒匹配的實驗研究[J].航空動力學(xué)報，2001，16（2）：115-118.HE Xiaomin，TAN Haoyuan.An investigation of matching between dump diffuser and flame tube.[J].Journal of Aerospace Power，2001，16（2）：115-118.

[11]趙堅行，胡勁，丁萬山，等.突擴區(qū)/火焰筒頭部流動特性研究[J].航空動力學(xué)報，1999，14（1）：79-82.ZHAO Jianxing，HU jin，DING Wanshan，et al.Aerodynamic characteristics of head in sector annular combustor[J].Journal of Aerospace Power，1999，14（1）：79-82.（in Chinese）

[12]Westerweel J.Fudamentals of digital particle image velocimetry[J].Measurement Science and Technology，1997，8（12）：1379-1392.

[13]盛森芝，徐月亭，袁輝靖.近十年來流動測量技術(shù)的新發(fā)展 [J]力學(xué)與實踐，2002，24（5）：1-14.SHENG Senzhi，XU Yueting，YUAN Huijing.New development in the technology of flow measurement over the last decade [J].Mechanics in Engineering，2002，24（5）：1-14.（in Chinese）

[14]梁桂華，趙宇.內(nèi)燃機燃燒室流場PIV測試中示蹤粒子跟隨性分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2004，44（5）：662-665.LIANG Guihua，ZHAO Yu.Analyses of following behaviors as tracer particle by PIV in chamber of internal combustion engine [J].Journal of Dalian University of Technology，2004，44（5）：662-665.（in Chinese）

[15]黨新憲.雙旋流環(huán)形燃燒室試驗研究與數(shù)值模擬[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.DANG Xinxian.Experimental investigation and numerical simulation of a gas turbine annular combustor with dual-stage swirler[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2009.（in Chinese）