反推裝置葉柵外流場(chǎng)PIV測(cè)試

于忠強(qiáng)，李慶林，盛超，高超，叢長(zhǎng)震

（中國(guó)航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015）

0 引言

反推力裝置是民用和軍用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其主要功能是通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流動(dòng)方向來獲得反向推力，使飛機(jī)高效可靠地減速，顯著縮短飛機(jī)的著陸滑跑距離，達(dá)到剎車的效果。實(shí)現(xiàn)反推力的傳統(tǒng)方法主要是機(jī)械式，包括抓斗式、葉柵式和折流板式等。目前，幾乎所有先進(jìn)的大型飛機(jī)都采用發(fā)動(dòng)機(jī)反推力裝置來減速，其中，葉柵式反推器應(yīng)用較廣。雖然這種反推裝置會(huì)增加質(zhì)量和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜性，但還是以其獨(dú)有的集成度高、可靠性高、對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外得到了較廣泛的應(yīng)用。Trapp等通過CFD方法對(duì)反推力裝置葉柵結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了評(píng)估，得到了優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。相對(duì)于國(guó)外比較成熟的研究現(xiàn)狀，中國(guó)近年來也開始注重葉柵式反推力裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究工作。

粒子圖像測(cè)速（Particle Image Velocimetry，PIV）技術(shù)是一種非接觸無干擾的空間流場(chǎng)定量測(cè)量手段，是從20世紀(jì)80年代以來在流動(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)的研究成果發(fā)展起來的新一代流動(dòng)測(cè)速技術(shù)。目前PIV測(cè)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中對(duì)氣體、液體流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。

隨著PIV技術(shù)的發(fā)展，越來越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者將該技術(shù)應(yīng)用于葉柵流場(chǎng)測(cè)試。Post等利用PIV技術(shù)對(duì)靜止渦輪葉柵流場(chǎng)進(jìn)行了研究；Suder測(cè)量了NASA37孤立轉(zhuǎn)子流場(chǎng)，研究了級(jí)環(huán)境下激波、間隙流等的相互影響；馬昌友等在暫沖式風(fēng)洞中對(duì)高亞聲速平面葉柵采用PIV技術(shù)獲取了葉片槽道及出口尾跡流場(chǎng)；馬超等研究了動(dòng)葉葉柵旋轉(zhuǎn)下的內(nèi)流場(chǎng)，獲得了速度場(chǎng)和渦量場(chǎng)。但目前PIV技術(shù)在葉柵流場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用多以管路或風(fēng)洞內(nèi)部為主，而對(duì)反推力裝置葉柵出口外流場(chǎng)測(cè)試的公開報(bào)道很少。

本文以反推力裝置縮比模型試驗(yàn)件作為研究對(duì)象，采用PIV測(cè)試技術(shù)對(duì)反推力裝置葉柵出口外流場(chǎng)開展了不同進(jìn)口落壓比下的測(cè)試試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

反推力裝置葉柵外流場(chǎng)試驗(yàn)在反推力裝置試驗(yàn)器上開展。該試驗(yàn)器最大供氣流量為60 kg/s，最高內(nèi)涵供氣溫度為850 K，采用六分力測(cè)力臺(tái)架。支持正向排氣和反向排氣，正向排氣直接進(jìn)入排氣筒，反向排氣直接排入試驗(yàn)間，通過導(dǎo)流裝置將氣流導(dǎo)向廠房頂部排氣塔排入大氣。反推力裝置試驗(yàn)器工作流程如圖1所示，詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)見文獻(xiàn)[18]。

圖1 反推力裝置試驗(yàn)器工作流程

1.2 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件根據(jù)相似準(zhǔn)則采用1∶3縮比模型，結(jié)構(gòu)如圖2所示。試驗(yàn)件分為2個(gè)涵道，內(nèi)涵氣流通過尾噴管軸向直排，外涵氣流通過反推葉柵與軸成一定角度反向沿圓周排出。在試驗(yàn)過程中通過控制試驗(yàn)件入口落壓比（總壓與環(huán)境之比）來調(diào)整試驗(yàn)狀態(tài)，外流場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)僅向外涵單獨(dú)供氣。

圖2 反推力裝置葉柵外流場(chǎng)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

2 PIV測(cè)試系統(tǒng)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)組成及原理

PIV系統(tǒng)的組成主要有光源系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、同步控制器、控制及采集軟件、計(jì)算機(jī)，如圖3所示。

圖3 PIV系統(tǒng)的組成

試驗(yàn)中采用美國(guó)TSI公司開發(fā)的PIV系統(tǒng)及相應(yīng)軟件INSIGHT 4G進(jìn)行圖像采集及數(shù)據(jù)處理。PIV系統(tǒng)的工作原理是在流體中散播微細(xì)顆粒標(biāo)記物，將反映標(biāo)記物運(yùn)動(dòng)的圖像記錄下來，通過圖像處理和分析得到標(biāo)記物在時(shí)間間隔Δ內(nèi)的位移，從而得到流場(chǎng)速度。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

速度矢量的計(jì)算要靠圖像處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。PIV原始圖像被細(xì)分為許多正方形詢問區(qū)，采用互相關(guān)算法計(jì)算每一詢問區(qū)的速度矢量。數(shù)據(jù)后處理運(yùn)算主要進(jìn)行速度場(chǎng)光滑處理，校正錯(cuò)誤匹配的影響。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程

3 外流場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)方案

3.1 防護(hù)裝置

PIV測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用于管道內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量已日趨成熟，并且得到廣泛應(yīng)用；但針對(duì)于本試驗(yàn)外流場(chǎng)測(cè)試仍存在一定難點(diǎn)。試驗(yàn)件氣流經(jīng)由外涵葉柵出口直接排入周圍環(huán)境中，出口氣流存在較強(qiáng)氣動(dòng)沖擊，還會(huì)帶來試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)。氣流的沖擊和現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)對(duì)于光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)硬件是不可接受的，PIV系統(tǒng)也不例外，將導(dǎo)致測(cè)試硬件損壞或者無法采集到有效圖像。

在試驗(yàn)方案中為解決氣流沖擊問題，根據(jù)試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)激光器及相機(jī)的布置位置進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，如圖5所示。在試驗(yàn)件葉柵截面的正下方放置CCD相機(jī)；試驗(yàn)件葉柵為左右對(duì)稱布置，在正上和正下2個(gè)位置無葉柵，因此該位置氣流沖擊相對(duì)較弱；激光器布置在試驗(yàn)件的左后方，斜向45°發(fā)出激光片光照射待測(cè)流場(chǎng)區(qū)域。氣流經(jīng)葉柵斜向前方排出，該區(qū)域氣流沖擊較弱。

圖5 激光器及相機(jī)布置

雖然對(duì)相機(jī)和激光器測(cè)試位置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，但氣流沖擊和現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)仍無法全面消除。為徹底解決氣流沖擊和現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)，設(shè)計(jì)相機(jī)及激光器防護(hù)裝置。防護(hù)裝置采用不銹鋼獨(dú)立盒式結(jié)構(gòu)，將相機(jī)及激光器分別固定在其中，有效防止氣流沖擊，起到保護(hù)作用。在光學(xué)原件與盒式結(jié)構(gòu)接觸固定位置采用隔振橡膠對(duì)二者進(jìn)行隔離，有效防止現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)對(duì)相機(jī)及激光器造成影響。根據(jù)光學(xué)測(cè)試的特殊性，在盒式結(jié)構(gòu)處留有光學(xué)窗口以便激光片光射出，相機(jī)鏡頭可以接收入射光。為實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)整及標(biāo)定，防護(hù)裝置可在內(nèi)部相機(jī)，片光源在垂直、水平、俯仰等多維度調(diào)整。

3.2 校準(zhǔn)與修正

2維PIV測(cè)試系統(tǒng)通常采用相機(jī)軸線與測(cè)試平面垂直的方式布置，可以有效避免粒子位移量測(cè)試產(chǎn)生誤差。在試驗(yàn)中為解決氣流沖擊問題，將相機(jī)軸線與測(cè)試面成一定角度布置，如果采用普通標(biāo)定方式會(huì)帶來一定誤差。為此，采用軟件中off-axis標(biāo)定方法，配合專用標(biāo)定板標(biāo)定，可以消除相機(jī)感光板與測(cè)試面不平行帶來的測(cè)試誤差。

3.3 示蹤粒子

PIV測(cè)試需要撒播作為流動(dòng)示蹤的光散射粒子，該粒子既要能精確跟蹤與表征流動(dòng)速度，又要有良好的散射特性并有足夠的信噪比。根據(jù)劉劍等的研究結(jié)果，選用0.3μm氧化鈦固體粒子作為示蹤粒子，在滿足跟隨性的前提下，具有更好的散射特性，能夠提高信噪比。采用流化床固體粒子發(fā)生器，配合壓縮空氣源播撒粒子，通過高精度調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)壓縮空氣量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)粒子播撒量的調(diào)節(jié)和控制。

3.4 遠(yuǎn)程控制及防護(hù)

試驗(yàn)過程現(xiàn)場(chǎng)噪聲超過120 dB，測(cè)試人員無法在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)工作，但是計(jì)算機(jī)與相機(jī)及其它光學(xué)設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸及控制導(dǎo)線長(zhǎng)度有限，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制及采集。為應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)噪聲，同時(shí)解決計(jì)算機(jī)、同步器等設(shè)備免受氣流沖擊及示蹤粒子粉塵污染，增加遠(yuǎn)程控制及防護(hù)系統(tǒng)，對(duì)計(jì)算機(jī)、同步器等進(jìn)行封裝，并通過網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)端進(jìn)行PIV測(cè)試系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)高噪聲環(huán)境下的外流場(chǎng)測(cè)試。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)過程中在試驗(yàn)件入口進(jìn)行了總壓、總溫、空氣流量等測(cè)量。采用PIV方法對(duì)試驗(yàn)件順航向左側(cè)葉柵出口水平面進(jìn)行測(cè)試，在外涵進(jìn)口落壓比為1.1、氣流溫度為18.5℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖中可見，氣流從葉柵排出后沿葉柵型面方向繼續(xù)向前流動(dòng)，無漩渦產(chǎn)生，氣流徑直排出，高速氣流對(duì)附近空氣產(chǎn)生一定引射帶動(dòng)作用。從圖6（a）中可見，氣流從葉柵出口排出后核心為高速氣流區(qū)，向兩端逐漸減少，在葉柵出口外的其它區(qū)域氣流流速極低。核心氣流最大流速約為110 m/s，主流氣流速度約為80 m/s。

圖6 落壓比為1.1時(shí)的速度場(chǎng)

在外涵進(jìn)口落壓比為1.2、進(jìn)口溫度為50℃時(shí)，對(duì)順航向左側(cè)葉柵出口水平面氣流速度流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從圖中可見，氣流從葉柵排出后，核心氣流沿葉柵型面原方向徑直排出，未發(fā)生方向改變或出現(xiàn)漩渦，周圍空氣在主流引射作用下向主氣流流動(dòng)。從圖7（a）中可見，在該狀態(tài)下核心氣流速度約為170 m/s，分布在排氣氣流的中間，隨著氣流向核心氣流外及兩端推移速度呈降低趨勢(shì)，主流的氣流速度約為120 m/s。與落壓比為1.1時(shí)相比，在該狀態(tài)下核心氣流范圍增大，分析認(rèn)為隨著落壓比的增大，空氣氣流速度提高，周圍空氣與葉柵出口氣流相互的擾動(dòng)作用比重減弱，所以氣流內(nèi)部場(chǎng)中高速區(qū)范圍增大。

圖7 落壓比為1.2時(shí)的速度場(chǎng)

采用Fluent軟件對(duì)葉柵出口流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，在進(jìn)口落壓比為1.2時(shí)，截取測(cè)試截面位置處數(shù)值模擬速度云圖，如圖8所示。從圖中可見，排氣氣流核心區(qū)域速度較高，約為165 m/s，隨著氣流向外流動(dòng)及向兩端推移速度呈降低趨勢(shì)，主流的氣流速度約為120 m/s。與PIV測(cè)試系統(tǒng)得到的試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，在氣流核心區(qū)域及主流區(qū)域，數(shù)值模擬與PIV測(cè)試速度最大相對(duì)誤差約為3.5%。

圖8 落壓比1.2模擬速度場(chǎng)

反推力裝置葉柵出口外流場(chǎng)數(shù)據(jù)的成功獲取說明了試驗(yàn)方案的合理性。防護(hù)裝置對(duì)于內(nèi)部光學(xué)設(shè)備起到了保護(hù)作用，能夠在保證設(shè)備正常穩(wěn)定使用的前提下，很好地隔絕氣流沖擊，消除現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)。

試驗(yàn)中使用成熟商用PIV測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)防護(hù)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制等裝置，結(jié)合合理的試驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)了工程環(huán)境中的外流場(chǎng)測(cè)試，得到真實(shí)可靠的流場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)?？朔鈱W(xué)測(cè)試自身在工程測(cè)試中的缺點(diǎn)和不足，發(fā)揮出其高時(shí)間分辨率、高空間分辨率、流場(chǎng)無擾動(dòng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)新型高效測(cè)試技術(shù)與傳統(tǒng)工程試驗(yàn)的有機(jī)融合。

5 結(jié)論

（1）氣流從葉柵出口排出后沿葉柵型面方向繼續(xù)向前流動(dòng)，未發(fā)生方向偏移；

（2）進(jìn)口落壓比增大，葉柵出口氣流速度提高，高速區(qū)拓寬，流場(chǎng)形式無明顯變化；

（3）激光器及CCD相機(jī)防護(hù)裝置在試驗(yàn)過程中能夠?qū)崿F(xiàn)阻隔氣流沖擊、消除現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)的作用，并兼顧光學(xué)測(cè)試儀器微調(diào)整功能。

PIV測(cè)試技術(shù)結(jié)合防護(hù)、減振、遠(yuǎn)程控制等措施，成功應(yīng)用于工程外流場(chǎng)測(cè)試，并獲得了較為理想的測(cè)試結(jié)果。