涡轮叶栅流场的PIV测量实例

　　0　引　　言

　　为了定量地研究涡轮机械内部的复杂流动机理,国内外发展了纹影阴影法、旋转探针、热线风速仪、激光多普勒测速仪,高频动态压力探针等一系列测试技术。但是这些传统的流速测量仪器,只能进行单点测量,且大多是接触式测量,无法对整个区域内的二维流场进行无扰动测量,而且得到的是平均意义下的流动速度分布;当流场内部的流速变化较大,并有涡存在时,传统的仪器很难实现流速的准确测量。同时,对瞬态流场的观测和显示,不但要求测量系统有灵敏的反应速度,还需有较高的空间分辨率和连续观察、测量瞬时流速场的能力。激光粒子图像测速仪(PIV)是20世纪80年代末发展起来的一种非接触式瞬态速度测量技术,将定性的流动显示和定量的速度场测量集于一身,并应用光学图像技术、图像处理技术、计算机技术等先进的测试技术,获得一个平面内的瞬时速度场,具有空间分辨率高(一般可达0.15 mm)、信息量大、测量速度快、不干扰被测流场和可连续测量等非常实用的优点。总体而言,在当今测试技术从稳态测试转入动态测试,逐点测量变为全场测量的趋势下,PIV作为一种定量流动显示技术使实验研究水平大为提高,已在风洞试验和工业部门得到广泛应用。

　　降低涡轮装置能耗对国民经济的发展具有重要意义,而提高涡轮装置性能的关键是深入认识其内部流动的本质、流动结构等。涡轮内部流动的时间和空间结构极其复杂,一般情况下为非定常三维湍流流动。典型的流动现象有分离流、二次流、边界层的相互作用以及叶片尾迹区的复杂流动等[1-2]。本文针对涡轮内部复杂的流动特性,应用具有较高空间分辨率和可以测量瞬时流速场的PIV技术,获得了具有较高空间分辨率和较清晰完整的瞬态流场图。

　　1　PIV工作原理

　　标准的PIV测试系统包括光源系统、图像采集系统和图像处理系统[3-4],图1所示为PIV系统的光学框架图。激光器产生高强度的脉冲激光,通过光臂的引导,经过柱面镜和球面镜形成片光照亮流场中的示踪粒子,并将1台CCD摄像机置于和片光源照亮区域垂直的位置,用成像的方法记录2次曝光后示踪粒子的位置,采用图像分析技术得到流场中各点粒子的位移,以粒子速度代表所在流场内相应位置处流体的运动速度,由此位移和曝光的时间间隔得到流场中各点的流速矢量图。

　　1.1　光源类型

　　表1示出了PIV系统的激光常用光源。从表中各栏目的比较可以看出,YAG光源有较为合理的脉冲持续期、脉冲间隔和重复率等。根据本实验的特点,选择YAG作为激光光源是符合实验要求的。