反推装置叶栅外流场PIV测试

于忠强，李庆林，盛超，高超，丛长震

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）

0 引言

反推力装置是民用和军用大涵道比涡扇发动机的重要组成部分，其主要功能是通过改变发动机排气流动方向来获得反向推力，使飞机高效可靠地减速，显著缩短飞机的着陆滑跑距离，达到刹车的效果。实现反推力的传统方法主要是机械式，包括抓斗式、叶栅式和折流板式等。目前，几乎所有先进的大型飞机都采用发动机反推力装置来减速，其中，叶栅式反推器应用较广。虽然这种反推装置会增加质量和发动机设计复杂性，但还是以其独有的集成度高、可靠性高、对不同的发动机工况适应性强等优点，在国外得到了较广泛的应用。Trapp等通过CFD方法对反推力装置叶栅结构等进行了评估，得到了优化的结构。相对于国外比较成熟的研究现状，中国近年来也开始注重叶栅式反推力装置的设计及试验研究工作。

粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）技术是一种非接触无干扰的空间流场定量测量手段，是从20世纪80年代以来在流动显示的基础上，充分吸收现代计算机技术、光学技术以及图像分析技术的研究成果发展起来的新一代流动测速技术。目前PIV测速系统已经广泛应用于实际工程中对气体、液体流场进行测量。

随着PIV技术的发展，越来越多的国内外学者将该技术应用于叶栅流场测试。Post等利用PIV技术对静止涡轮叶栅流场进行了研究；Suder测量了NASA37孤立转子流场，研究了级环境下激波、间隙流等的相互影响；马昌友等在暂冲式风洞中对高亚声速平面叶栅采用PIV技术获取了叶片槽道及出口尾迹流场；马超等研究了动叶叶栅旋转下的内流场，获得了速度场和涡量场。但目前PIV技术在叶栅流场测试中的应用多以管路或风洞内部为主，而对反推力装置叶栅出口外流场测试的公开报道很少。

本文以反推力装置缩比模型试验件作为研究对象，采用PIV测试技术对反推力装置叶栅出口外流场开展了不同进口落压比下的测试试验。

1 试验系统

1.1 试验设备

反推力装置叶栅外流场试验在反推力装置试验器上开展。该试验器最大供气流量为60 kg/s，最高内涵供气温度为850 K，采用六分力测力台架。支持正向排气和反向排气，正向排气直接进入排气筒，反向排气直接排入试验间，通过导流装置将气流导向厂房顶部排气塔排入大气。反推力装置试验器工作流程如图1所示，详细技术指标见文献[18]。

图1 反推力装置试验器工作流程

1.2 试验件

试验件根据相似准则采用1∶3缩比模型，结构如图2所示。试验件分为2个涵道，内涵气流通过尾喷管轴向直排，外涵气流通过反推叶栅与轴成一定角度反向沿圆周排出。在试验过程中通过控制试验件入口落压比（总压与环境之比）来调整试验状态，外流场测试试验仅向外涵单独供气。

图2 反推力装置叶栅外流场试验件结构

2 PIV测试系统

2.1 测试系统组成及原理

PIV系统的组成主要有光源系统、图像采集系统、同步控制器、控制及采集软件、计算机，如图3所示。

图3 PIV系统的组成

试验中采用美国TSI公司开发的PIV系统及相应软件INSIGHT 4G进行图像采集及数据处理。PIV系统的工作原理是在流体中散播微细颗粒标记物，将反映标记物运动的图像记录下来，通过图像处理和分析得到标记物在时间间隔Δ内的位移，从而得到流场速度。

2.2 数据处理方法

速度矢量的计算要靠图像处理系统来实现，数据处理流程如图4所示。PIV原始图像被细分为许多正方形询问区，采用互相关算法计算每一询问区的速度矢量。数据后处理运算主要进行速度场光滑处理，校正错误匹配的影响。

图4 数据处理流程

3 外流场测试试验方案

3.1 防护装置

PIV测试系统应用于管道内流场测量已日趋成熟，并且得到广泛应用；但针对于本试验外流场测试仍存在一定难点。试验件气流经由外涵叶栅出口直接排入周围环境中，出口气流存在较强气动冲击，还会带来试验现场振动。气流的冲击和现场的振动对于光学测试系统硬件是不可接受的，PIV系统也不例外，将导致测试硬件损坏或者无法采集到有效图像。

在试验方案中为解决气流冲击问题，根据试验件的结构特点对激光器及相机的布置位置进行针对性设计，如图5所示。在试验件叶栅截面的正下方放置CCD相机；试验件叶栅为左右对称布置，在正上和正下2个位置无叶栅，因此该位置气流冲击相对较弱；激光器布置在试验件的左后方，斜向45°发出激光片光照射待测流场区域。气流经叶栅斜向前方排出，该区域气流冲击较弱。

图5 激光器及相机布置

虽然对相机和激光器测试位置进行了设计，但气流冲击和现场振动仍无法全面消除。为彻底解决气流冲击和现场振动，设计相机及激光器防护装置。防护装置采用不锈钢独立盒式结构，将相机及激光器分别固定在其中，有效防止气流冲击，起到保护作用。在光学原件与盒式结构接触固定位置采用隔振橡胶对二者进行隔离，有效防止现场振动对相机及激光器造成影响。根据光学测试的特殊性，在盒式结构处留有光学窗口以便激光片光射出，相机镜头可以接收入射光。为实现测试系统的调整及标定，防护装置可在内部相机，片光源在垂直、水平、俯仰等多维度调整。

3.2 校准与修正

2维PIV测试系统通常采用相机轴线与测试平面垂直的方式布置，可以有效避免粒子位移量测试产生误差。在试验中为解决气流冲击问题，将相机轴线与测试面成一定角度布置，如果采用普通标定方式会带来一定误差。为此，采用软件中off-axis标定方法，配合专用标定板标定，可以消除相机感光板与测试面不平行带来的测试误差。

3.3 示踪粒子

PIV测试需要撒播作为流动示踪的光散射粒子，该粒子既要能精确跟踪与表征流动速度，又要有良好的散射特性并有足够的信噪比。根据刘剑等的研究结果，选用0.3μm氧化钛固体粒子作为示踪粒子，在满足跟随性的前提下，具有更好的散射特性，能够提高信噪比。采用流化床固体粒子发生器，配合压缩空气源播撒粒子，通过高精度调节阀门调节压缩空气量，进而实现粒子播撒量的调节和控制。

3.4 远程控制及防护

试验过程现场噪声超过120 dB，测试人员无法在试验现场工作，但是计算机与相机及其它光学设备之间数据传输及控制导线长度有限，无法实现远距离控制及采集。为应对现场噪声，同时解决计算机、同步器等设备免受气流冲击及示踪粒子粉尘污染，增加远程控制及防护系统，对计算机、同步器等进行封装，并通过网络在远端进行PIV测试系统的控制，实现高噪声环境下的外流场测试。

4 试验结果分析

在试验过程中在试验件入口进行了总压、总温、空气流量等测量。采用PIV方法对试验件顺航向左侧叶栅出口水平面进行测试，在外涵进口落压比为1.1、气流温度为18.5℃时，对应的流场测试结果如图6所示。从图中可见，气流从叶栅排出后沿叶栅型面方向继续向前流动，无漩涡产生，气流径直排出，高速气流对附近空气产生一定引射带动作用。从图6（a）中可见，气流从叶栅出口排出后核心为高速气流区，向两端逐渐减少，在叶栅出口外的其它区域气流流速极低。核心气流最大流速约为110 m/s，主流气流速度约为80 m/s。

图6 落压比为1.1时的速度场

在外涵进口落压比为1.2、进口温度为50℃时，对顺航向左侧叶栅出口水平面气流速度流场测试结果如图7所示。从图中可见，气流从叶栅排出后，核心气流沿叶栅型面原方向径直排出，未发生方向改变或出现漩涡，周围空气在主流引射作用下向主气流流动。从图7（a）中可见，在该状态下核心气流速度约为170 m/s，分布在排气气流的中间，随着气流向核心气流外及两端推移速度呈降低趋势，主流的气流速度约为120 m/s。与落压比为1.1时相比，在该状态下核心气流范围增大，分析认为随着落压比的增大，空气气流速度提高，周围空气与叶栅出口气流相互的扰动作用比重减弱，所以气流内部场中高速区范围增大。

图7 落压比为1.2时的速度场

采用Fluent软件对叶栅出口流场进行数值模拟，在进口落压比为1.2时，截取测试截面位置处数值模拟速度云图，如图8所示。从图中可见，排气气流核心区域速度较高，约为165 m/s，随着气流向外流动及向两端推移速度呈降低趋势，主流的气流速度约为120 m/s。与PIV测试系统得到的试验结果吻合良好，在气流核心区域及主流区域，数值模拟与PIV测试速度最大相对误差约为3.5%。

图8 落压比1.2模拟速度场

反推力装置叶栅出口外流场数据的成功获取说明了试验方案的合理性。防护装置对于内部光学设备起到了保护作用，能够在保证设备正常稳定使用的前提下，很好地隔绝气流冲击，消除现场振动。

试验中使用成熟商用PIV测试系统，设计防护系统、远程控制等装置，结合合理的试验方案，实现了工程环境中的外流场测试，得到真实可靠的流场测试数据。克服光学测试自身在工程测试中的缺点和不足，发挥出其高时间分辨率、高空间分辨率、流场无扰动等诸多优点，实现新型高效测试技术与传统工程试验的有机融合。

5 结论

（1）气流从叶栅出口排出后沿叶栅型面方向继续向前流动，未发生方向偏移；

（2）进口落压比增大，叶栅出口气流速度提高，高速区拓宽，流场形式无明显变化；

（3）激光器及CCD相机防护装置在试验过程中能够实现阻隔气流冲击、消除现场振动的作用，并兼顾光学测试仪器微调整功能。

PIV测试技术结合防护、减振、远程控制等措施，成功应用于工程外流场测试，并获得了较为理想的测试结果。