氢气泡流场显示技术及应用

符小刚，于芳芳

(中国飞行试验研究院 发动机所，陕西 西安 710089)

氢气泡流场显示技术及应用

符小刚，于芳芳

(中国飞行试验研究院 发动机所，陕西 西安 710089)

摘要：介绍氢气泡流场显示技术原理以及试验用水槽及水洞等设备。通过试验，验证了此类试验中所用到的示踪粒子生成、照明等技术，并分析了相应的适用试验类型，然后介绍了该技术在旋成体附面层控制、压气机叶栅流场研究以及活塞发动机冷却腔体流场研究方面的应用。实践表明，该技术不仅可以直观地观察流场分布情况，并能定量得到流场中的速度分布信息。

关键词：流场显示技术；水洞；水槽；示踪粒子

1引言

流场显示技术，是指通过在流场中添加示踪粒子以及显色剂等[1]，以光学手段来直观地观察以及获取流场分布信息。通过各种流动显示试验，可以了解复杂的物理现象，探索其物理机制，为发现新的流动现象，建立新的概念和物理模型提供依据。流场显示技术本身也是解决实际工程问题的重要手段[2]。

图1　飞机模型机翼表面流场

对于气体介质，常使用烟迹来显示三维空间流场[3](见图1)，使用纸条、油膜[4]来显示型体表面流场等。对于液体，主要使用染色剂(如红墨水)以及氢气泡等来显示空间流场(见图2)。与使用探针、测量耙等测试仪器相比，流场显示技术能比较直观地得到较大范围的流场整体分布的真实情况以及细节流动结构，如涡流、尾迹等。

图2　平面翼型周围流场

早期的流场显示技术只能定性给出流场分布情况，近来已经可以定量获取流场中速度场的分布信息(比如粒子成像测速技术(PIV)[5])以及温度场分布(如红外测温技术)。本文结合实践经验，介绍了在水槽中使用氢气泡作为示踪粒子来显示流场分布的原理及相关技术。

2试验原理

氢气泡流场显示技术适用于液体流场试验，采用水电解原理，即在水中放入电极，加电后会在阴极和阳极上分别产生氢气泡和氧气泡。如果使用极细的金属丝作为阴极，则其所产生的氢气泡能以较长的时间随着液体运动，故可作为示踪粒子使用。

使用气泡作为示踪粒子，需满足以下几个条件：

(1)气泡应具有较小的水溶性，否则，产生的气泡来不及随流场运动即迅速溶于水中，无法进行持续观测。基于以上原因，试验选择了阴极产生的氢气泡(极不易溶于水)而非阳极产生的氧气。

(2)要有足够多的数量，以形成类似空气中的烟迹一样的较明显的显示区域。与氧气相比，两电极同一时段产生的氢气泡数量是氧气泡的两倍，这是选择氢气泡的另一个原因。同时，适量调节两极的电压值，也是控制气泡数量的有效方法。

(3)气泡应当有较好的跟随性。由于浮力作用，气泡随流体一起运动的同时会上升。试验中，气泡的上升速率应尽可能低。如果产生的气泡尺寸很小，则与其上升运动有关的Re数就很低，因此在任何情况下，都希望产生的气泡尽可能地小。根据经验观测，气泡的尺寸和阴极丝的直径有同样的数量级。

因此，作为试验中发泡用的金属丝，直径大都在0.01mm～0.02mm，可以用铂丝、钨丝、铜丝或者不锈钢丝。较小的金属丝直径也保证了其对流场的扰动被控制在极小的范围内。而阳极为任意形状，被放在流体中远离试验观测区域的另一位置。普通的自来水就可以做电解液，如果水质太软，可以加入硫酸钠以增加导电率。

另一方面，氢气泡是透明无色的，不能在自然光下直接观察到。因此，试验中需要遮蔽环境光，然后使用人工光源只照亮流场中的试验区域，通过氢气泡表面的反射使之显现出来。照明一般采用片光源，某些研究人员发现，照明和观察的方向成65°时最合适，可能与氢气泡的散射性有关。记录可以采用普通照相机或电视摄像机等。

如果使金属丝垂直于流动方向，输入恒定频率的短脉冲或者方波信号，金属丝上会以相等的时间间隔生成氢气泡，气泡随水流下移，形成一系列条纹。此条纹即可以作为度量流动速度的时间线。若金属丝竖直插入水中，则时间线直接度量了当地垂直速度剖面；若金属丝水平放置于水中，则时间线显示出水流速度在横向的变化，见图3。由于脉冲电源的频率是已知的，因此，相邻时间线之间的时长也是已知的。如果事先知道流场中的参考尺寸(比如模型尺寸)，就可以依据时间线间间距的大小定量获取观测平面各处的速度场分布。

图3　采用脉冲信号在流场中产生的时间线

虽然在试验中总的流动图形并不会因为阴极丝的存在而受到严重的干扰，但是金属丝的尾流引起的局部扰动很大，而且会影响气泡的运动，因此可能会引起较大的局部失真——在金属丝所产生的尾流中运动的气泡呈现偏低的速度。由于直径小，金属丝的Re数通常都很低。根据层流尾流理论可以得出这样一个结论：在金属丝下游70至100倍金属丝直径的距离处，气泡的速度才能达到自由流的速度。这意味着流动试验区至少应位于金属丝后方100倍的直径处。如果尾流不是层流状态，产生的湍流将干扰气泡的运动。

能够在流动中观察氢气泡的时间受氢气泡在水中融解时间的限制。随着Re数的增加，气泡的扩散增强，在湍流中扩散十分迅速。因此，这种方法的应用仅限于低速流动，最大速度约为20～30cm/s量级。

3试验水洞及水槽

水洞与水槽的主要区别在于，水洞是封闭式的，其水压可以独立调节，因此可以实现较大的流速，通常用于较大尺寸模型试验，如北京航空航天大学飞行器设计系的2m×2m循环式水洞，见图4；而水槽是开放式的，其水压与大气压力相通，试验流速较低，大都用于小尺寸模型，见图5。两者都必须包括试验段、加速段、滤网、叶轮机等基本结构。

图4　典型水洞模型

图5　典型水槽模型

图6　水槽及发泡用脉冲电源

图6所示为北京航空航天大学航空发动机国防重点试验室的自循环回流式水槽。该水槽为金属框架有机玻璃箱体，长6.8m，试验段横截面积0.7m×0.5m，流速在0.06m/s～0.12m/s范围可调。所用脉冲电源可以产生方波、三角波、正弦波等形式的电信号，频率连续可调。

水洞及水槽主要应用于模型外流场。对于内流场，比如活塞发动机气缸头内冷却流场，为观测到其流动结构，需切除气缸头壳体待观测流场区域部分表面，以相同内型面的透明材料(如玻璃或者树脂)代替。进行此类试验时，应注意做好透明材料与金属壳体之间的密封，同时确保电极金属丝与壳体之间的绝缘。

4技术应用实践

4.1旋成体附面层控制试验

图7所示为在自循环回流式水槽中进行的旋成体附面层流场观测试验。采用绿色激光片光源对模型表面流场打光。由上图可以明显观察到水流过光滑旋成体锥形表面头部后形成的大的分离泡(表面观察不到氢气泡的区域，即低速流区域)以及其后附面层转捩为湍流并逐渐加剧的过程。而下图在采用微沟槽表面后，旋成体附面层中已经观察不到明显的分离泡，其后长时间保持层流流动。

图7　光滑表面旋成体(上)与微沟槽表面旋成体(下)附面层

4.2压气机平面叶栅模型根部流场

图8　攻角为0°(上)以及+8°(下)时叶栅模型根部流场

图8所示为在水槽中进行的压气机平面叶栅模型根部流场观测试验，采用白色片光源对试验区域打光。由图中对比可见，在较大的正攻角下，可以明显观测到叶背部的分离流以及叶片前缘根部形成的涡结构，而在设计攻角下，这种涡活动要弱得多。

4.3活塞发动机气缸头内冷却流场

图9所示为活塞发动机气缸头内冷却流场观测试验。为了观察到壳体内部流场，在模型正上方以及侧面均开设了观察窗口。其中，下图右上角可以明显观察到有比较强烈的涡结构存在。之所以氢气泡的运动被显示为丝状轨迹，是因为该区域流速较高，而所用相机使用了较长的曝光时间。与之相比，同样曝光时间下腔体正面的流场(上图)中的氢气泡显示为颗粒状，这意味着这些区域的流速是很低的。

5结论

(1)采用氢气泡流场显示技术，可以直观地获取低速条件下型体外流场以及内流场分布情况、流动细节信息；

图9　从模型正上方(上)以及侧方(下)观察到的腔体内流场

(2)水洞或水槽是进行氢气泡流场显示试验的主要试验平台；

(3)试验中采用频率已知的脉冲电信号以及片光源，可以定量并精确获取流场中的速度分布数据。

参考文献

[1]束继祖,李华煜.流场显示技术在流体力学中的应用和展望[J].力学情报,1979,(01):27-28.

[2]范洁川.流动显示技术的若干现状与发展[J].气动试验与测量控制,1995,9(1):10.

[3]夏雪湔.用烟线技术显示三维分离流场[J].空气动力学报,1984,(1):71-75.

[4]常见忠,丰镇平.适合于叶轮机械叶栅流场显示的两种可视化技术研究[J].汽轮机技术,1997,39(4):222-223.

[5]徐玉明,迟卫.PIV测试技术及其应用[J.舰船科学技术,2007,29(3):101-102.

Technique of Flow Field Display with Hydrogen Bubble and Application

Fu Xiaogang,Yu Fangfang

(Engine Department of Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,Shanxi,China)

Abstract：In this paper,mechanism of technique of flow field display with hydrogen bubble is stated with the instruments including water tunnel and water channel used in test.Technique of generation of the traceable particle and lighting for flow field display is verified in the test,and the corresponding test type is analyzed.Then the application of this technique in rotation body boundary layer control,study on flow field of compressor blade cascade and piston engine cooling cavity is stated.Practice indicates that with this technique not only the distribution of flow field can be observed directly,but also the velocity distribution information in the flow field can be gained quantitatively.

Keywords:technique of flow field display;water tunnel;water channel;traceable particle

[收稿日期]2015-10-25

[作者简介]符小刚(1983—)，男，陕西省宝鸡市人，硕士，工程师，主要研究方向：飞行器进气道与发动机相容性试飞技术。

中图分类号：V211.78

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.006