趙 鵬，張玉光，張寶華

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

0 引言

擴(kuò)壓器是燃燒室的重要部件之一，近年來(lái)隨著高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，高效的燃燒室擴(kuò)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(duì)擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)提出了新的要求[1-2]。3通道擴(kuò)壓器可以看作是短突擴(kuò)壓器的發(fā)展，前置擴(kuò)壓段內(nèi)設(shè)有2個(gè)分流楔板是其主要結(jié)構(gòu)特征。該類型擴(kuò)壓器不僅縮短了結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，減小了突擴(kuò)損失，而且可有效減少前置擴(kuò)壓器的流動(dòng)分離，目前GP7200、GEnx及F136發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室均已采用3通道擴(kuò)壓器。但國(guó)內(nèi)對(duì)此研究甚少[3-5]。

近年來(lái)，非接觸式瞬態(tài)流場(chǎng)測(cè)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(chǎng)試驗(yàn)以及熱態(tài)燃燒試驗(yàn)之中，不同于常規(guī)試驗(yàn)測(cè)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(yàn)中單點(diǎn)測(cè)量以及探針對(duì)流場(chǎng)的干擾問題，尤其在新型擴(kuò)壓器及燃燒室的試驗(yàn)探究中起到了至關(guān)重要的作用。早期Fishenden和Steven研究了突擴(kuò)擴(kuò)壓器在較大范圍內(nèi)的性能參數(shù)，分析了前置擴(kuò)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(kuò)燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)特性，針對(duì)旋流的特性對(duì)不同區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)行分析[7]；李昊等利用PIV技術(shù)對(duì)2種不同突擴(kuò)比燃燒室的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)分析，研究表明突擴(kuò)比的改變對(duì)燃燒室突擴(kuò)面后的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響很小[8]；Prakash等研究了不同的燃燒室形狀對(duì)擴(kuò)壓器性能的影響，試驗(yàn)獲得了擴(kuò)壓器壁面靜壓[9]；趙堅(jiān)行、何小民等論述了擴(kuò)壓器數(shù)值模擬的方法，并測(cè)量了擴(kuò)壓器的壓力特性[10-11]。

目前，國(guó)外已經(jīng)將PIV技術(shù)大量應(yīng)用于擴(kuò)壓器及燃燒室內(nèi)流場(chǎng)分析中，得到各類擴(kuò)壓器的性能數(shù)據(jù)，但國(guó)內(nèi)較少針對(duì)3通道擴(kuò)壓器等先進(jìn)擴(kuò)壓器開展PIV技術(shù)的試驗(yàn)研究。本文基于3通道擴(kuò)壓器的2元試驗(yàn)件，利用PIV技術(shù)開展擴(kuò)壓器內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)試驗(yàn)，觀察并記錄每個(gè)狀態(tài)點(diǎn)擴(kuò)壓器內(nèi)流場(chǎng)詳細(xì)信息。

1 試驗(yàn)件及測(cè)試裝置

1.1 試驗(yàn)試件

該2元多通道擴(kuò)壓器試驗(yàn)試件主要由前置擴(kuò)壓器和火焰筒頭部帽罩模型2部分組成，而前置擴(kuò)壓器由擴(kuò)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(guó)內(nèi)外研究資料以及前期大量的計(jì)算工作，最終確定3種前置擴(kuò)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(kuò)壓器與頭部帽罩組合下的流場(chǎng)特性，優(yōu)選出最佳組合方案。前置擴(kuò)壓器依據(jù)出口高度的不同分為前置擴(kuò)壓器A、B、C，而頭部帽罩依據(jù)突擴(kuò)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(kuò)壓器入口尺寸的比值見表1。試驗(yàn)試件上設(shè)置光學(xué)通路和相機(jī)采集觀察窗，可對(duì)圖 1 中“Lc”區(qū)域（即前置擴(kuò)壓器出口）進(jìn)行2維流場(chǎng)測(cè)量。此外，在擴(kuò)壓器試驗(yàn)件的進(jìn)、出口處安裝必要的壓力采集接口，用來(lái)監(jiān)視試驗(yàn)狀態(tài)與分析PIV結(jié)果。

圖1 2元3通道擴(kuò)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(chǎng)顯示基礎(chǔ)上利用不斷高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)流場(chǎng)顯示進(jìn)行定量化測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)的瞬態(tài)測(cè)量。PIV技術(shù)在本質(zhì)上是圖像分析技術(shù)的1種，采用時(shí)間間隔很短的2個(gè)脈沖光源照亮所需要測(cè)量的流場(chǎng)，利用CCD將所照明的流場(chǎng)中的示蹤介質(zhì)記錄下來(lái)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理得到速度場(chǎng)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(tái)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(yùn)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(cè)量精度時(shí)，該系統(tǒng)有4種辦法來(lái)增強(qiáng)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?dòng)調(diào)整以優(yōu)化空間分辨率和測(cè)量精度；查問域可以為正方形或長(zhǎng)方形以補(bǔ)償高速度梯度；圖像象素可以為正方形或長(zhǎng)方形，以適應(yīng)不同的CCD。

圖2 PIV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所試驗(yàn)器上進(jìn)行。試驗(yàn)器能力如下：設(shè)計(jì)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(yàn)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(yàn)時(shí)對(duì)試驗(yàn)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(yàn)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(huì)影響流場(chǎng)，濃度太低又會(huì)降低測(cè)量的信噪比，無(wú)法獲得有效速度場(chǎng)；示蹤粒子的均勻性比較難控制，在本試驗(yàn)中試驗(yàn)件為多通道擴(kuò)壓器，該特殊結(jié)構(gòu)會(huì)使流場(chǎng)產(chǎn)生多處回流區(qū)，且壁面處會(huì)產(chǎn)生較大的速度梯度，同樣會(huì)給圖像采集帶來(lái)困難[14-15]。

基于以上論述，本文設(shè)計(jì)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(lái)調(diào)整粒子釋放濃度，并在每個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)的間歇加大試驗(yàn)件進(jìn)氣量，以便吹掃滯留在試驗(yàn)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(yàn)誤差分析

本次試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量不確定度分析。根據(jù)PIV的測(cè)速原理，流場(chǎng)速度測(cè)量公式為

式中：α為放大比例；ΔX為像素位移；Δt為時(shí)間間隔；δμ為3維速度所引起的測(cè)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(jì)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(lái)計(jì)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(cè)試區(qū)域?yàn)?50×40 mm2，相同流速為50 m/s，參考點(diǎn)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(shí)間間隔Δt=0.01 ms，目標(biāo)點(diǎn)距離為 500 mm，ΔX=16 pixel。依據(jù)以上數(shù)據(jù)在試驗(yàn)設(shè)備手冊(cè)中對(duì)誤差系數(shù)進(jìn)行選取。

2.4 試驗(yàn)項(xiàng)目

為了滿足未來(lái)先進(jìn)結(jié)構(gòu)擴(kuò)壓器對(duì)試驗(yàn)技術(shù)的需求，在常規(guī)流阻、流量分配試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將非接觸測(cè)試技術(shù)有針對(duì)性地應(yīng)用于擴(kuò)壓器內(nèi)流場(chǎng)分析，以得到擴(kuò)壓器特性試驗(yàn)參數(shù)，并拓展擴(kuò)壓器試驗(yàn)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(duì)前置擴(kuò)壓器在同一馬赫數(shù)、不同流量分配下的流場(chǎng)特性，設(shè)計(jì)了幾種工況記為A組試驗(yàn)，見表4。對(duì)于頭部帽罩，研究其在不同馬赫數(shù)下流場(chǎng)的特性，同樣設(shè)計(jì)了幾種工況記為B組試驗(yàn)，見表5。應(yīng)用PIV技術(shù)，觀察并記錄每個(gè)狀態(tài)點(diǎn)擴(kuò)壓器內(nèi)流場(chǎng)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(chǎng)云圖。

表4 A組試驗(yàn)狀態(tài)

表5 B組試驗(yàn)狀態(tài)

3 試驗(yàn)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(duì)前置擴(kuò)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(chǎng)信息，結(jié)果如圖5～7所示。每幅圖中從左到右4個(gè)流場(chǎng)云圖分別對(duì)應(yīng)表4中序號(hào)1～4的出口流量分配比例狀態(tài)。

圖5 前置擴(kuò)壓器A在不同出口流量分配比例下的2維流場(chǎng)

圖6 前置擴(kuò)壓器B在不同出口流量分配比例下的2維流場(chǎng)

圖7 前置擴(kuò)壓器C在不同出口流量分配比例下的2維流場(chǎng)

對(duì)比這3個(gè)前置擴(kuò)壓器出口流場(chǎng)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(kuò)壓器B、C的前置擴(kuò)壓器內(nèi)、外環(huán)出口流速明顯高于擴(kuò)壓器A的，另外擴(kuò)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(duì)比回流區(qū)流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)壓器B的上、下2個(gè)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(kuò)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(kuò)壓器A表現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢(shì)。

以前置擴(kuò)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(chǎng)，如圖8～10所示，每幅圖中從左到右流場(chǎng)云圖依次對(duì)應(yīng)表5中試驗(yàn)序號(hào)1～5。

圖8 頭部帽罩B在不同Ma下的2維流場(chǎng)

圖9 頭部帽罩C在不同Ma下的2維流場(chǎng)

圖10 頭部帽罩D在不同Ma下的2維流場(chǎng)

從圖中可見，頭部帽罩D中前置擴(kuò)壓器出口氣流速度高于其他試驗(yàn)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(duì)比頭部帽罩A、B在進(jìn)口馬赫數(shù)為0.290、3個(gè)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(chǎng)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(cè)試結(jié)果中可見，無(wú)論在哪種組合形式下，流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生較大改變，流場(chǎng)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(duì)流場(chǎng)速度有太大影響。隨著進(jìn)氣量及Ma的增大，流場(chǎng)速度有明顯的提高。通過PIV技術(shù)得到的試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)也驗(yàn)證了傳統(tǒng)壓力場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果，前置擴(kuò)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(yàn)中，前置擴(kuò)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(hào)的，如圖11、12所示，進(jìn)一步證明了PIV試驗(yàn)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(duì)比

圖12 不同前置擴(kuò)壓器總壓損失隨Ma2變化對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)PIV技術(shù)與擴(kuò)壓器試驗(yàn)技術(shù)的探究，得到了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)擴(kuò)壓器內(nèi)流場(chǎng)特性的影響，并對(duì)比了不同擴(kuò)壓器的性能特征，得到了優(yōu)選后的3通道擴(kuò)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(shí)擴(kuò)壓器性能最佳，并在接觸式測(cè)試方法與數(shù)值分析方法上得到了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，PIV技術(shù)在先進(jìn)擴(kuò)壓器流場(chǎng)測(cè)試方面是直觀且可靠的，可以為擴(kuò)壓器最終結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計(jì)定型提供依據(jù)；本文將PIV技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)擴(kuò)壓器的試驗(yàn)研究，形成了成熟可靠的擴(kuò)壓器試驗(yàn)技術(shù)手段，可為國(guó)內(nèi)擴(kuò)壓器性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)。

[1]《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)：第九冊(cè)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）

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