涡轮叶栅非定常流动的PIV实验

　　粒子图像测速技术是近十几年发展起来的一种崭新的非接触式流速测量技术.其融计算机图像处理与光学技术为一体,突破了空间单点测量技术的局限性,既具备了单点测量技术的精度和分辨率,又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像,对于研究瞬时平面速度场、涡量场等复杂流动现象具有重要意义.本文采用激光粒子图像测速仪(PIV)对涡轮叶栅叶高平面和出口平面进行测量,获取了瞬时速度全场图,给出了涡轮叶栅流场内部的详细结构和整场信息,为进一步研究真实涡轮流场,提升涡轮的气动效率提供了参考.

　　1　测量原理

　　用PIV系统进行测量时,大致可分为以下3步:第1步用双曝光法摄取流场的粒子图像;第2步分析图像并提取速度信息;第3步显示速度矢量场.图1为PIV系统测量的3个步骤的框架图.

　　2　PIV测量系统

　　本实验使用的PIV系统由片光源系统、图像拍摄系统、信号处理器和FlowMap软件4部分组成.其中,片光源系统以双谐振脉冲式Nd∶YAG激光器为光源,激光器的最大工作频率为10 Hz,每个脉冲能量高达200 mJ.脉冲光采用Qswitch触发方式来获得,脉宽5.0~10.0 ns,输出的激光束波长为532μm(绿光).两台激光器独立使用,以方便选择两个激光脉冲之间的时间间隔,而且能使时间间隔达到μs级,大大扩展了速度测量的范围.激光器发出的激光束经过光学部件后,可转变成约为1 mm的片光源. CCD采用KodakMega plus ES1.0互/自相关数字相机,分辨率为1 018像素×1 008像素,以256级灰度方式识别示踪粒子的信息.在相机镜头前加上一个标准的60 mm镜头(Nikon Micro Nikkor 60/2.8),在实际测量中,调节镜头可以保证CCD相机的焦平面和被测平面一致.

　　采用移动圆柱装置模拟涡轮机械内部静叶与动叶间的相互作用[1~3];采用产生相同尾迹速度、相同损失的当量圆柱体,模拟动叶片产生的尾迹.损失系数Y=cd/(scosβ).式中s为圆柱列间隔,β为气流相对入口角,c为圆柱的阻力系数,c=1~1.1.因此通过模拟涡轮动叶片的叶型损失系数Y,可以决定圆柱直径d.根据给定相匹配的圆柱列轴向距离,所得到尾迹速度亏损和尾迹的宽度应与模拟目标大致相同.

　　空气涡轮叶型采用静叶叶型25NSP,采用4个叶片构成3个叶栅流道,增加的2个辅助流道有助于提高中心流道模拟结果的可信度.前置圆柱列产生的尾迹用于模拟上游动叶旋转产生的尾迹.叶型段的基本几何参数如下:叶片数目为4;展弦比为120/79.7;弦长为79.7 mm;轴向弦长为49.2 mm;安装角为51.1°;β为0°;节距/弦长比为27.7/79.7.图2为实验风洞装置示意图.

　　3　PIV测量结果和分析

　　3.1　非定常尾迹的测量

　　叶栅实验中将模拟动叶的圆柱列依次沿周向移动1/4节距(T)(无圆柱,圆柱分别位于0,T/4,2T/4,3T/4位置),测量沿叶高平面的速度场.图3为实验中测量的结果.