大型風(fēng)洞PIV粒子發(fā)生裝置研制

岳廷瑞，張 遜，李付華，趙亮亮，張婷婷

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引言

示蹤粒子作為流體速度的代表，需要具備良好的跟隨性、較高的散射效率、良好的物理和化學(xué)特性以及足量可控的流量。市面上有很多小型的基于加壓或加熱原理的粒子發(fā)生器，比如Laskin粒子發(fā)生器、舞臺(tái)發(fā)煙器等，其對(duì)于大型風(fēng)洞來說，其粒子量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到需求，同時(shí)在風(fēng)洞中的安裝投放也比實(shí)驗(yàn)室或小型實(shí)驗(yàn)設(shè)備中復(fù)雜的多。

在國(guó)外，W.Beyer等人在Bremen大學(xué)的LSWT風(fēng)洞中進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)試時(shí)，采用煙霧發(fā)生器所產(chǎn)生平均粒徑1 μm的粒子作為示蹤粒子[1]，粒子發(fā)生器工作面積約0.5 m×0.5 m，如圖1所示。

美國(guó)DERA風(fēng)洞中開展試驗(yàn)時(shí)，粒子發(fā)生器放置在收縮段出口，如圖2所示。發(fā)生器工作面積為2.3 m×0.8 m，但測(cè)量速度較低，其總流量較小。粒子發(fā)生器采用CIRA所制作的粒子發(fā)生器，工作材料為橄欖油，粒子粒徑約1 μm[2]。

圖2 DERA風(fēng)洞中粒子投放圖

德荷風(fēng)洞(DNW)LLF回流式風(fēng)洞中采用Laskin nozzle粒子發(fā)生器產(chǎn)生粒子[3-4]。發(fā)生器工作方式為加壓氣流通過粒子發(fā)生器將粒子輸入測(cè)試區(qū)域，發(fā)生器工作面積約0.5 m×0.5 m，粒子粒徑<1 μm，如圖3所示。TST-27直流式跨超聲風(fēng)洞中粒子發(fā)生器[5-6]為內(nèi)部壓力為10個(gè)大氣壓的旋風(fēng)分離器，粒子發(fā)生器工作面積0.26 m×0.3 m，示蹤粒子為TiO2，粒子粒徑約50 nm。

圖3 DNW-LLF風(fēng)洞中粒子投放圖

德荷風(fēng)洞( DNW)SST直流式超聲速風(fēng)洞中粒子發(fā)生器為120 Laskinnozzle[7]，壓力3.5 bar，發(fā)生器四角分別通過鋼絲索與風(fēng)洞壁面固定，未介紹其測(cè)量面積大小，如圖4所示。

圖4 DNW-SST風(fēng)洞中粒子投放圖

在國(guó)內(nèi)，上海交大劉洪等人[8]針對(duì)高速?gòu)?fù)雜流場(chǎng)的PIV測(cè)試現(xiàn)狀，總結(jié)了應(yīng)用于超聲速流場(chǎng)PIV技術(shù)發(fā)展過程中示蹤粒子及布撒系統(tǒng)所遇到的一系列挑戰(zhàn)，其中一個(gè)重要挑戰(zhàn)就是流量不足的問題。榮臻等人[9]設(shè)計(jì)了一套超聲速風(fēng)洞PIV示蹤粒子布撒裝置，提出了利用發(fā)生器罐體內(nèi)的真空度吸入示蹤粒子的加注方式，但在封閉空間內(nèi)，所需粒子流量有限。陳小虎等人[10]研究了示蹤粒子對(duì)超聲速混合層的湍流變動(dòng)作用。王彥值等人[11]針對(duì)法向馬赫數(shù)大于1.4的高速流動(dòng)所提出粒子松弛特性分析模型，結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬方法，發(fā)展了高速流動(dòng)下的示蹤粒子布撒技術(shù)，使用TiO2作為粒子材料，測(cè)量面積較小。中國(guó)計(jì)量大學(xué)張振剛[12]等人分別采用玻璃微珠和微小油霧作為水和氣體的示蹤粒子，并在循環(huán)水池和大尺度封閉實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)預(yù)先撒播示蹤粒子，提出大尺度封閉空間的粒子預(yù)撒播可以大幅提升粒子的時(shí)空均勻性。北航的陳瑩[13]等人通過對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)速及流場(chǎng)均勻度的比較,得出在實(shí)驗(yàn)段出口處向風(fēng)洞投放粒子，使其在風(fēng)洞中循環(huán)的方法是最佳散播粒子方式的結(jié)論。還有其它學(xué)者也開展了相關(guān)研究工作[14-20]。

綜上所述，在大型風(fēng)洞中投放示蹤粒子，既要保證測(cè)量面積大，又要保證試驗(yàn)速度較高，還要持續(xù)不間斷的供應(yīng)是非常困難的，能夠方便、經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)生，并且能持續(xù)、足量、均勻地供應(yīng)，是在大型風(fēng)洞中開展PIV試驗(yàn)的關(guān)鍵。目前尚未見有專門的大型粒子發(fā)生器研制和應(yīng)用的相關(guān)文章。

本文針對(duì)大型風(fēng)洞試驗(yàn)，研制了一套加熱蒸發(fā)式粒子發(fā)生器，產(chǎn)生粒子流量大，可以滿足4米量級(jí)直流式風(fēng)洞不小于70 m/s速度下持續(xù)粒子供應(yīng)的需求，同時(shí)使用的粒子材料經(jīng)濟(jì)性好。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 粒子發(fā)生器設(shè)計(jì)

粒子發(fā)生器的基本設(shè)計(jì)思路是：通過向粒子發(fā)器內(nèi)以一定壓力持續(xù)供應(yīng)液體材料，而后以一定溫度將液體蒸發(fā)汽化，最后通過粒子篩選器使其均勻排出。

設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)解決以下幾個(gè)問題：1)要保證能將足量的材料充分加熱汽化，主要通過增大受熱面積提高加熱效率;2)保證排出粒子的大小與均勻性符合要求，主要通過適合的粒子材料選擇和蒸發(fā)器出口的粒子篩選實(shí)現(xiàn);3)要使用方便高效，主要通過設(shè)備結(jié)構(gòu)的集成化設(shè)計(jì)和測(cè)控系統(tǒng)的閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)。

設(shè)備主要由供料裝置、蒸發(fā)器、粒子篩選器、廢料回收裝置、控制系統(tǒng)等組成。其工作原理如圖5所示。材料經(jīng)齒輪泵注入蒸發(fā)器內(nèi)，在蒸發(fā)器中加熱蒸發(fā)形成高溫蒸汽；高溫蒸汽在蒸發(fā)器內(nèi)部形成高壓，經(jīng)蒸汽噴嘴進(jìn)入粒子篩選器中；在粒子篩選器中，高溫蒸汽與冷空氣混合冷凝形成微小粒子，同時(shí)粒子受離心風(fēng)機(jī)從腔體側(cè)面輸入的氣流作用作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在此過程中，較大粒子受離心力作用與腔體壁面接觸匯聚成液體，較小粒子則從篩選器粒子出口輸出用于試驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)粒子篩選。材料回收裝置與蒸發(fā)器出料口、粒子篩選器聯(lián)通，用于回收工作過程中多余的材料。

圖5 工作原理圖

供料裝置用于為蒸發(fā)器持續(xù)提供材料，通過閉環(huán)的壓力控制讓進(jìn)入蒸發(fā)器的液體保持恒定的壓力和流量，并可根據(jù)試驗(yàn)情況調(diào)節(jié)流量大小。

蒸發(fā)器用于對(duì)液態(tài)材料進(jìn)行加熱蒸發(fā)，并將高溫蒸汽通過噴嘴排放至粒子篩選器中。其中加熱汽化溫度應(yīng)在材料的沸點(diǎn)與燃點(diǎn)之間根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行具體選擇。要通過控制系統(tǒng)保證溫度恒定以持續(xù)的對(duì)材料進(jìn)行加熱，確保粒子的穩(wěn)定輸出。

粒子篩選器位于蒸發(fā)器上方，主要由離心風(fēng)機(jī)和粒子篩選腔構(gòu)成。采用可調(diào)速離心風(fēng)機(jī)使粒子混合空氣進(jìn)入篩選器，混合空氣高速旋轉(zhuǎn)、碰撞，將粗大粒子留在篩選器內(nèi)，排出均勻的大小一致的粒子，同時(shí)可對(duì)蒸發(fā)器噴出的高溫粒子進(jìn)行降溫。

材料回收裝置用于收集工作過程中蒸發(fā)器和粒子篩選器中的剩余材料，其主要由蒸發(fā)器未完全消化的材料和高溫粒子冷凝產(chǎn)生的液體組成。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提高加熱效率，使進(jìn)入發(fā)生器的材料盡量消化，減少回收的廢料。

控制系統(tǒng)用于集中控制粒子發(fā)生器的工作運(yùn)行，主要由面板、蒸發(fā)腔壓力控制器、緩沖罐壓力控制器、溫度控制儀、直流調(diào)速器和指示燈等組成。

按系統(tǒng)功能主要分為溫度控制、流量控制、壓力控制三部分，均實(shí)行閉環(huán)控制。

1)溫度控制部分：使用熱電偶檢測(cè)蒸發(fā)器的溫度，反饋給溫度控制儀；根據(jù)溫度控制儀設(shè)定溫度的上下限，通過控制繼電器的通斷來控制加熱管持續(xù)工作。溫度控制系統(tǒng)控制邏輯如圖6所示。

圖6 溫度控制邏輯圖

2)流量控制部分：使用無級(jí)調(diào)速齒輪泵，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)進(jìn)液流量調(diào)節(jié)。其電源通斷由緩沖罐壓力下上限控制，當(dāng)達(dá)到壓力上限時(shí)停止工作，當(dāng)?shù)陀谙孪迺r(shí)啟動(dòng)工作，當(dāng)界于上下限之間時(shí)持續(xù)工作。最終實(shí)現(xiàn)液體材料以一定流量和壓力持續(xù)向發(fā)生器供應(yīng)。

3)壓力控制部分：設(shè)置兩個(gè)壓力表分別實(shí)時(shí)檢測(cè)緩沖罐與蒸發(fā)腔壓力，根據(jù)設(shè)定的上下限控制供液裝置工作。其控制原理如圖7所示。

圖7 壓力控制系統(tǒng)原理

1.2 粒子材料選擇

通過大量研究人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在粒子材料選擇方面，常用的固體材料主要有Al2O3、TiO2、聚苯乙烯等，液體材料主要有乙二醇、硅樹脂油、水、甘油、DEHS等，作為一種清潔材料，液態(tài)二氧化碳在大尺度風(fēng)洞中有較好的應(yīng)用前景[21]。同時(shí)，在大型風(fēng)洞試驗(yàn)中，成本也是一個(gè)必須考慮的重要因素。

在粒子跟隨性方面，研究表明，常規(guī)條件下，液體中粒徑10～20 μm、空氣中粒徑1～5 μm時(shí)跟隨性最好，需要根據(jù)不同材料的特性和應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行具體分析。

通過預(yù)先地面測(cè)試，選擇粒子大小適合、成本較低的乙二醇作為原材料，其測(cè)試指標(biāo)見圖8，相比小型試驗(yàn)設(shè)備使用的DEHS成本降低了80%。

圖8 粒子直徑分布

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

以上介紹了粒子發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理及基本方案，其核心是將液體材料通過熱能汽化，因此進(jìn)入發(fā)生器的流量直接決定了產(chǎn)生的粒子量，所以，需進(jìn)行所需要的流量以及轉(zhuǎn)化所需能量的計(jì)算，同時(shí)應(yīng)其考慮工作效率問題。

2.1 材料流量計(jì)算

流量計(jì)算的目的是根據(jù)風(fēng)洞尺度、風(fēng)速、測(cè)量面積等要求計(jì)算達(dá)到試驗(yàn)條件所需的粒子量，進(jìn)而計(jì)算所需的材料流量。

計(jì)算中應(yīng)考慮圖像處理時(shí)搜索窗大小、單個(gè)搜索窗所需基本粒子數(shù)、粒子直徑、片光厚度、相機(jī)像素、視場(chǎng)大小及材料的理化特性等指標(biāo)，根據(jù)PIV試驗(yàn)所需的風(fēng)洞最大風(fēng)速的要求，整合得到材料流量計(jì)算條件如表1所示。

表1 計(jì)算條件

材料計(jì)算前作如下假設(shè)：所生成的粒子為球形，忽略液態(tài)材料熱脹冷縮效應(yīng)引起的密度變化，獲得標(biāo)準(zhǔn)視場(chǎng)的有效面積比(η)為0.25。則材料需求流量計(jì)算公式為：

qm=S/η·v·φ·ρ

式中,qm為材料總流量，S為視場(chǎng)面積，η為有效面積比，v為風(fēng)速，φ為粒子體積濃度比，ρ為材料密度。

粒子體積濃度比計(jì)算公式為：

φ=Nv·Vs

Vs=(4/3)πr3

式中,Vs為單個(gè)粒子體積，Nv為單位體積內(nèi)粒子個(gè)數(shù)，r為單個(gè)粒子半徑。單位體積內(nèi)粒子個(gè)數(shù)計(jì)算公式為：

Nv=(Np/S)/δ

Np=n·p/w

式中,Np為圖像視場(chǎng)內(nèi)粒子個(gè)數(shù)，δ為片光厚度，n為搜索窗內(nèi)粒子個(gè)數(shù)，p為圖像像素，w為搜索窗像素。

通過計(jì)算，得到在滿足風(fēng)洞試驗(yàn)最大風(fēng)速下所要求的材料消耗量。

2.2 加熱功率計(jì)算

加熱功率計(jì)算的目的是計(jì)算將滿足試驗(yàn)要求量的液體材料加熱汽化所需的能量。

材料加熱過程中，為保證試驗(yàn)安全，蒸發(fā)器內(nèi)應(yīng)在沸點(diǎn)和燃點(diǎn)之間選擇合適的溫度。同時(shí)計(jì)算時(shí)應(yīng)依據(jù)所選材料的理化特性指標(biāo)。

材料加熱過程中能量消耗由兩部分組成：一部分為材料由液態(tài)加熱蒸發(fā)為氣態(tài)所需要的能量；另一部分為高溫蒸汽繼續(xù)升溫至設(shè)定溫度所需要的能量。單位質(zhì)量材料蒸發(fā)需要的能量計(jì)算公式為：

W=W1+W2

W1=(T2-T1)·c+HvW2=(T3-T2)·c

式中,W為單位質(zhì)量材料蒸發(fā)需要的總能量，W1為單位質(zhì)量的材料由液態(tài)蒸發(fā)為氣態(tài)所需要的能量，W2為單位質(zhì)量的氣態(tài)材料繼續(xù)升溫所需要的能量，T1為室溫，T2為材料沸點(diǎn)溫度，T3為蒸發(fā)器內(nèi)溫度，c為比熱容，Hv為材料汽化熱。

通過計(jì)算，得到單位質(zhì)量的液體材料加熱蒸發(fā)至設(shè)定溫度所需要的能量。則要求的蒸發(fā)器的加熱功率為：

Pm=W·qm

最后，根據(jù)所得加熱功率數(shù)據(jù)校核加熱管，同時(shí)應(yīng)考慮熱傳遞過程中的能量損耗。

2.3 工作效率計(jì)算

蒸發(fā)器的工作流程分為準(zhǔn)備階段和間歇式加熱階段。在準(zhǔn)備階段過程中，先由不含材料的蒸發(fā)器在加熱管的作用下預(yù)熱至設(shè)定溫度。在間歇式加熱階段過程中，加熱管停止加熱，材料進(jìn)入蒸發(fā)器，并由蒸發(fā)器內(nèi)部余溫對(duì)材料加熱蒸發(fā)，直至蒸發(fā)器溫度降至下限時(shí)加熱管再次工作，如此形成間歇式的周期工作狀態(tài)。

蒸發(fā)器周圍填充隔熱材料，加熱過程中忽略熱量流失，則準(zhǔn)備階段時(shí)間的計(jì)算公式為：

t1=(c2·ΔT1·m2)/P

式中，t1為設(shè)備準(zhǔn)備階段時(shí)間，c2為蒸發(fā)器材料的比熱容，ΔT1為設(shè)備從室溫加熱至設(shè)定溫度變化量，m2為加熱板重量，P為加熱管總功率。

間歇式加熱過程中，通過計(jì)算溫度維持時(shí)間和再次加熱時(shí)間可得到間歇式加熱周期t2。設(shè)定蒸發(fā)板的溫度控制范圍ΔT2，得到間歇式加熱周期計(jì)算公式為：

t2=(c2·ΔT2·m2)/Pm+(c2·ΔT2·m2)/P

式中,t2為間歇式加熱周期時(shí)間，ΔT2為蒸發(fā)板溫度控制范圍，Pm為材料加熱需求的功率。

通過計(jì)算，得到蒸發(fā)器的維持時(shí)間，蒸發(fā)器再次升至設(shè)定溫度的時(shí)間以及間歇式加熱周期。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 粒子粒徑測(cè)量

利用PDI(phase Doppler interferometer，相位多普勒干涉儀)系統(tǒng)，測(cè)量粒子發(fā)生器發(fā)出的粒子粒徑分布情況，發(fā)現(xiàn)粒子粒徑集中在5 μm以下，中心區(qū)在2 μm左右，符合空氣中粒徑1～5 μm的要求，如圖8所示。表明通過離心篩選的方式從根本上保證了粒子大小的均勻性和跟隨性。

3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步研究粒子發(fā)生器的性能及其對(duì)PIV流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的影響，在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心Φ3.2 m風(fēng)洞中進(jìn)行了性能測(cè)試試驗(yàn)。

Φ3.2 m風(fēng)洞是一座開閉口兩用的回流式風(fēng)洞，試驗(yàn)段截面為圓形，直徑為3.2 m，開口試驗(yàn)段的最高風(fēng)速可達(dá)115 m/s。使用的PIV系統(tǒng)光源為脈沖式雙Nd:Yag激光器，單脈沖能量500 mJ，脈沖寬度為6～8 ns。CCD相機(jī)分辨率為4 008×2 672像素，最大采集頻率2對(duì)/秒。同步控制器具有7個(gè)同步控制通道，延時(shí)控制精度優(yōu)于10 ns。

試驗(yàn)首先研究了粒子對(duì)氣流濕度的影響規(guī)律。具體方法是：將濕度測(cè)量?jī)x放置在流場(chǎng)中，在試驗(yàn)開始前記錄風(fēng)洞內(nèi)空氣濕度初讀數(shù)，然后在試驗(yàn)開始后，每隔1 min記錄氣流濕度。持續(xù)投放時(shí)間不少于10 min，觀察濕度變化情況。停粒子待風(fēng)洞吹干至初始值后再次測(cè)量，重復(fù)測(cè)量3次。得到結(jié)果如表3所示。

表3 濕度記錄數(shù)據(jù)

從測(cè)量結(jié)果看，空氣濕度維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的水平，投放粒子時(shí)間對(duì)空氣濕度影響較小。

驗(yàn)證試驗(yàn)選擇了經(jīng)典的圓柱繞流流場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量視場(chǎng)大小1 000 mm×700 mm，按如下步驟進(jìn)行：

1)安裝好圓柱體模型；

2)安裝PIV設(shè)備并調(diào)整激光與相機(jī)的位置，確保相機(jī)能完整的拍到圓柱尾部流場(chǎng)；

3)相機(jī)標(biāo)定；

4)啟動(dòng)粒子發(fā)生器，并在試驗(yàn)過程中持續(xù)投放；

5)啟動(dòng)風(fēng)洞，風(fēng)速10 m/s；

6)記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算；

7)增加風(fēng)速進(jìn)行下一次記錄，風(fēng)速?gòu)?0 m/s開始，至70 m/s，每10 m一個(gè)臺(tái)階。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

圖9 驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

測(cè)量的粒子如圖10所示。從粒子灰度圖來看，粒子分布均勻，光散射效果好，沒有出現(xiàn)明顯噪點(diǎn)。

圖10 粒子灰度圖

對(duì)粒子圖像進(jìn)行互相關(guān)分析，并繪制流線圖，計(jì)算結(jié)果規(guī)律性好且無異常速度矢量，表明粒子跟隨性等指標(biāo)滿足要求。風(fēng)速70m/s時(shí)流場(chǎng)流線如圖11所示。

圖11 流場(chǎng)流線圖(風(fēng)速70 m/s)

通過設(shè)備研制，粒子發(fā)生器應(yīng)用在了大量的試驗(yàn)研究中。比如，在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心4 m量級(jí)風(fēng)洞開展的共軸剛性旋翼懸停流場(chǎng)的 PIV 風(fēng)洞試驗(yàn)研究，得到了不同狀態(tài)下槳尖渦的脫落軌跡以及流場(chǎng)速度矢量圖。其拍攝的粒子圖和計(jì)算結(jié)果如圖12～13所示[22]。

圖12 旋翼試驗(yàn)粒子圖

圖13 旋翼試驗(yàn)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過原理設(shè)計(jì)、分析計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，成功研制了適用于大型風(fēng)洞PIV試驗(yàn)的粒子發(fā)生裝置，解決了在大型風(fēng)洞中開展PIV試驗(yàn)的關(guān)鍵問題，并應(yīng)用到了大量的工程實(shí)踐中，具有重要的工程實(shí)用意義。通過研究，可得到以下結(jié)論：

1)在大型風(fēng)洞PIV試驗(yàn)中，采用經(jīng)濟(jì)性好的油基材料加熱蒸發(fā)的方式，可持續(xù)、足量、均勻地供應(yīng)示蹤粒子，是一種較好的粒子產(chǎn)生方式。

2)在粒子發(fā)生裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮實(shí)際所需粒子流量，并針對(duì)選擇的粒子材料的理化特性開展計(jì)算分析。

3)離心篩選的方式可從根本上保證粒子大小的均勻性，且采用油基材料產(chǎn)生的粒子對(duì)風(fēng)洞氣流濕度響很小。