PIV技術(shù)在超聲速氣流低熱固相反應(yīng)合成系統(tǒng)流場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用

左 金，陳 植，林 俊，林學(xué)東，郭秋亭，范長海

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速空氣動(dòng)力研究所，四川 綿陽 621000)

粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)是在流動(dòng)顯示的基礎(chǔ)上，充分吸收現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)以及圖像分析技術(shù)的研究成果而成長起來的最新流動(dòng)測(cè)試手段[1-2]，是一種基于流場(chǎng)圖像互相關(guān)分析的二維流場(chǎng)非接觸式測(cè)試技術(shù)[3]。

PIV測(cè)試系統(tǒng)主要由光源系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和圖像分析系統(tǒng)等組成。PIV技術(shù)的基本原理[4-5]是在流場(chǎng)中散布跟隨性好、散光性好且比重與流體相當(dāng)?shù)氖聚櫫Ｗ樱蛊渑c流場(chǎng)同步運(yùn)動(dòng)，以粒子速度代表所在流場(chǎng)內(nèi)相應(yīng)位置處流場(chǎng)的流度。

近年來光學(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)有長足的發(fā)展，它突破傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量限制，可瞬時(shí)無接觸測(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[6]、剪切層流動(dòng)[7]、超燃沖壓內(nèi)流[8]以及諸如拐角流、尖劈附著激波和圓柱脫體激波[9-10]等超聲速流場(chǎng)測(cè)量中得到了很好的測(cè)量結(jié)果。本文利用PIV技術(shù)對(duì)超聲速氣流低熱固相反應(yīng)合成系統(tǒng)流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，探索其流動(dòng)規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)由測(cè)試系統(tǒng)和超聲速氣流低熱固相反應(yīng)合成系統(tǒng)兩部分組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖1所示。超聲速氣流低熱固相反應(yīng)合成系統(tǒng)由微波加熱裝置、轉(zhuǎn)盤式送粉器、反應(yīng)器、自動(dòng)取樣器、渦輪分級(jí)機(jī)、濾筒式收集器、引風(fēng)機(jī)、反應(yīng)物氣力輸送裝置等組成，如圖2所示，是通過利用特殊型面設(shè)計(jì)的超聲速噴管將物料加速到超聲速，在物料撞擊固定靶的時(shí)候，提供給反應(yīng)體系足夠的動(dòng)能來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)研究的內(nèi)容是測(cè)量反應(yīng)物粒子被超聲速氣流加速后撞擊靶頭前的速度。

圖1 PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖2 低熱固相合成系統(tǒng)

1.2 流場(chǎng)測(cè)量原理

流場(chǎng)測(cè)量的主體是基于常規(guī)粒子圖像測(cè)速(PIV)系統(tǒng)。PIV是一種先進(jìn)的定量流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，其基本原理是利用持續(xù)時(shí)間極短(納秒量級(jí))的激光脈沖將撒布有良好跟隨性示蹤粒子的流動(dòng)區(qū)域照亮，并利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)示蹤粒子進(jìn)行拍攝，再通過圖像處理獲得速度場(chǎng)。后期的圖像處理中，首先將圖像按照分辨率要求劃分成若干個(gè)計(jì)算區(qū)域，再對(duì)相鄰兩幀圖像中的粒子圖像進(jìn)行互相關(guān)處理，從而得到各個(gè)問詢窗口內(nèi)多個(gè)示蹤粒子對(duì)的平均位移量(通過地面校準(zhǔn)獲得像素與實(shí)際距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系)。由于兩幀激光脈沖的時(shí)間間隔已知，則可以計(jì)算出每個(gè)問詢窗口內(nèi)的速度矢量，進(jìn)而得到整個(gè)拍攝區(qū)域內(nèi)的速度場(chǎng)結(jié)果。

當(dāng)超聲速氣流低熱固相反應(yīng)合成系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，來流總壓、氣體質(zhì)量流量、固相顆粒饋入量等參數(shù)被精確控制，內(nèi)流道速度場(chǎng)近似于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，因此常規(guī)PIV的反應(yīng)速度和計(jì)算速度能夠滿足速度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。可以將常規(guī)的PIV裝置經(jīng)過改造后移植到反應(yīng)合成系統(tǒng)上，為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)流道速度場(chǎng)監(jiān)測(cè)，在反應(yīng)器靶頭上游方向布置光學(xué)觀察窗口和激光布光窗口。

1.3 PIV系統(tǒng)組成

PIV系統(tǒng)主要包括CCD相機(jī)、雙楊氏激光器和時(shí)序同步器等：

(1)CCD相機(jī)：采用型號(hào)為4M3D1的CCD相機(jī)，分辨率為2048 pixels×2048pixels，最高采樣率15fps，采用Camera Link形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

(2)雙楊氏激光器：本實(shí)驗(yàn)使用一臺(tái)雙楊氏脈沖激光器，最大脈沖能量350mJ，波長532nm，工作頻率0～10Hz，穩(wěn)定性≤3%，脈沖寬度5ns。

(3)時(shí)序同步器：系統(tǒng)采用外置時(shí)序同步器進(jìn)行控制，其最小時(shí)間精度250皮秒。

為了保證各個(gè)光學(xué)裝置的安裝精度，設(shè)計(jì)加工了測(cè)量平臺(tái)，圖3給出了測(cè)量平臺(tái)的工作原理圖，圖中帶綠色箭頭的代表測(cè)量區(qū)域的粒子成像光路。平臺(tái)由小型光學(xué)安裝平臺(tái)、小型光學(xué)升降臺(tái)、手動(dòng)滑軌和一些附屬連接件組成。測(cè)量中，為了避免合成系統(tǒng)由于氣流高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響測(cè)量效果，光學(xué)安裝平臺(tái)放置在地面上，平臺(tái)上通過M5螺栓安裝小型光學(xué)升降臺(tái)，用于PIV相機(jī)的安裝和調(diào)整，此外，還裝有可無級(jí)手動(dòng)調(diào)整定位的滑軌，用于安裝激光片光頭，可方便的調(diào)整激光面的角度和位置。測(cè)量平臺(tái)實(shí)物相片如圖4。

圖3 測(cè)量平臺(tái)的工作原理

圖4 測(cè)量平臺(tái)實(shí)物相片

1.4 PIV系統(tǒng)精度校驗(yàn)

為了保證PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度，需要在正式開始測(cè)量之前,利用標(biāo)準(zhǔn)流場(chǎng)進(jìn)行檢驗(yàn)。為此，我們?cè)贛a=4.2的超聲速風(fēng)洞中開展PIV系統(tǒng)的整體測(cè)量精度試驗(yàn)測(cè)量。

圖5為噴管出口的速度分布,結(jié)果表明在噴管出口的中心線具有均勻的流場(chǎng)。其他狀態(tài)的來流參數(shù)如表1所示,平均速度675.46m/s非常接近于理論速度685m/s,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差則為 。

圖5 噴管出口速度的PIV測(cè)試結(jié)果

表1 噴管出口速度的計(jì)算值和測(cè)試值

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)針對(duì)反應(yīng)器入口氣流總壓分別為0.6,0.8,1.0,1.2,1.4MPa和1.6MPa開展PIV測(cè)量，測(cè)試對(duì)象為425μm硅粉粒子，測(cè)量區(qū)域位于撞靶前的光學(xué)窗口位置，視場(chǎng)20mm×5mm。對(duì)PIV結(jié)果，統(tǒng)一定義X軸指向流動(dòng)方向，向右為正；Y軸指向測(cè)試面縱向，向上為正。

反應(yīng)器入口氣流總壓為0.6MPa和 PIV粒子采用425μm粒徑硅粉時(shí)，PIV獲取的撞靶前粒子圖像和處理結(jié)果如圖6所示，425μm硅粉被高速氣流加速后，獲得的撞靶前平均速度約為320m/s。為研究氣流對(duì)不同粒徑顆粒加速效果，在相同條件下即反應(yīng)器入口氣流總壓為0.6MPa時(shí)，PIV粒子采用20μm粒徑硅粉，PIV獲取的撞靶前粒子圖像和處理結(jié)果如圖7所示。對(duì)比425μm和20μm硅粉PIV測(cè)量結(jié)果可以看出，直徑越小的顆粒與氣流的跟隨性越好，在靶頭的繞流區(qū)域，粒徑更小的粒子更容易在高速氣流中散開。從速度云圖分析，粗細(xì)顆粒在撞靶前獲得的速度一致。因此，后面的實(shí)驗(yàn)只使用425μm硅粉開展不同反應(yīng)器入口總壓條件下的PIV測(cè)量。

圖6 425μm硅粉PIV測(cè)量結(jié)果

圖7 20μm硅粉PIV測(cè)量結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)，在反應(yīng)器入口氣流總壓變化時(shí)，425μm硅粉被高速氣流加速后的PIV測(cè)量結(jié)果如表2所示。

反應(yīng)器入口氣流總壓為0.8MPa時(shí)，425μm硅粉被高速氣流加速后，獲得的撞靶前平均速度約為380m/s。

反應(yīng)器入口氣流總壓為1.0MPa時(shí)，425μm硅粉被高速氣流加速后，獲得的撞靶前平均速度約為470m/s。

反應(yīng)器入口氣流總壓為1.2MPa時(shí)，425μm硅粉被高速氣流加速后，獲得的撞靶前平均速度約為500m/s。

反應(yīng)器入口氣流總壓為1.4MPa時(shí)，425μm硅粉被高速氣流加速后，獲得的撞靶前平均速度約為520m/s。

反應(yīng)器入口氣流總壓為1.6MPa時(shí)，425μm硅粉被高速氣流加速后，獲得的撞靶前平均速度約為550m/s。

表2 不同氣流壓力的PIV測(cè)量值

3 結(jié)論

針對(duì)超聲速氣流低熱固相反應(yīng)合成系統(tǒng)，采用20μm和425μm硅粉，通過改變反應(yīng)器入口總壓，利用PIV測(cè)量獲得了固相粒子通過超聲速氣流加速獲得的撞靶前速度，主要結(jié)論如下：

(1)實(shí)現(xiàn)了微小超聲速射流的粒子圖像測(cè)速，得到了整個(gè)流場(chǎng)的速度場(chǎng)，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量流場(chǎng)的實(shí)際情況。

(2)不同粒徑的硅粉粒子(20μm和425μm)在靶頭前獲得的速度沒有明顯的差別，原因在于在測(cè)試區(qū)域內(nèi)氣流速度沒有發(fā)生突變(比如激波或物面阻礙等)，粒子經(jīng)過上游一定距離的加速后，均能較好地跟隨氣流，顆粒獲得了近似于氣流的速度，驗(yàn)證了超聲速氣流低熱固相反應(yīng)合成系統(tǒng)顆粒加速管道設(shè)計(jì)的合理性。

(3)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，隨著反應(yīng)器入口氣流總壓的提高，顆粒撞靶前獲得的速度增大，當(dāng)總壓大于1.2MPa后，粒子運(yùn)動(dòng)速

度能達(dá)到在500 ～550m/s。入口總壓在設(shè)計(jì)點(diǎn)1.6MPa、流場(chǎng)馬赫數(shù)為3.0附近時(shí)，顆粒速度達(dá)到550m/s。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以通過增加反應(yīng)器入口氣流總壓來提高顆粒撞靶前的速度，但同時(shí)也會(huì)消耗更多的能量，因此，在使用時(shí)也應(yīng)當(dāng)充分考慮與固相反應(yīng)合成系統(tǒng)配套使用的氣源。