LDV和PIV測速技術測量離心壓氣機內部流動的應用進展

尉星航，馬宏偉，廖 鑫

北京航空航天大學能源與動力工程學院 航空發(fā)動機氣動熱力國防科技重點實驗室，北京 100191

0 引言

深入理解壓氣機內部流動特征對提升壓氣機設計能力極其重要，試驗研究是認識壓氣機內部流動特征、掌握流動機理最基本的途徑。精細的流場測量能夠揭示流動機理、評估氣動性能、指導優(yōu)化方向，同時對驗證數(shù)值模擬，修正仿真算法、改進設計思路也都有重要的意義[1]?，F(xiàn)代壓氣機內流場測量技術主要分為接觸式測量和非接觸式測量，其中接觸式測量技術如氣動探針、壓力/溫度傳感器和熱線風速儀等已經(jīng)被廣泛應用。Weichert 等[2]采用動態(tài)壓力傳感器和熱線風速儀研究了軸流壓氣機中Spike 型失速機理；Yamada 等[3]采用高頻動態(tài)壓力傳感器通過機匣壁面壓力分布研究了Spike 型失速先兆；馬宏偉等[4]利用五孔探針、動態(tài)壓力傳感器和單斜絲熱線風速儀在某低速大尺寸壓氣機上研究了轉子葉頂非均勻幾何形式影響壓氣機性能和尖區(qū)流動機制；鄭新前等[5-7]利用動態(tài)壓力傳感器、動態(tài)溫度傳感器和麥克風研究了離心壓氣機失速先兆；王彤等[8-10]利用動態(tài)壓力傳感器來識別和預測離心壓氣機失速及喘振等。然而，傳統(tǒng)的接觸式測量存在空間分辨率低、堵塞效應嚴重、測量位置單一等缺陷，已經(jīng)無法滿足壓氣機內流場的精細測量需求。因此，壓氣機流場的非接觸式測量得到了迅速發(fā)展。在壓氣機內部流場測量中，常用的非接觸式測量方法有：壓敏漆（Pressure Sensitive Paint，PSP）、溫敏漆（Temperature Sensitive Paint，TSP）、激光多普勒測速技術（Laser Doppler Velocimeter，LDV）和粒子圖像測速技術（Particle Image Velocimeter，PIV）。

PSP 和TSP 原理相似，在試驗件表面噴涂對壓力或溫度敏感的涂層，通過相機拍攝PSP 或TSP 圖像，獲得試驗件表面空間分辨率高的壓力或溫度分布。當前將PSP 和TSP 技術用于壓氣機流場測量已經(jīng)取得了一定進展，Gregory 等[11]利用PSP 技術實現(xiàn)了渦輪增壓器離心壓氣機葉片表面壓力測量；Bencic 等[12]采用改進的PSP 技術用于風扇轉子測試；高麗敏[13-14]和曹傳軍[15]等在葉柵上利用PSP 技術獲得了葉片表面壓力分布。PSP 和TSP 技術僅能獲得壓氣機葉片表面壓力和溫度分布，無法獲得壓氣機葉輪內部流場，此外對于高速旋轉葉片測試還存在諸多問題[16]。和PSP、TSP 技術相比，LDV和PIV測速技術可以實現(xiàn)三維速度場測量，因此在壓氣機流場測量中得到了廣泛使用。

在軸流壓氣機方面，國內外的眾多學者已經(jīng)成功將LDV和PIV測速技術應用于內部流場測量。Chesnakas 等[17]利用LDV 技術首次嘗試了軸流壓氣機內三維速度測量。隨后Hobson 和Dober[18]使用三維LDV 技術對可控擴散定子葉片的上游和下游進行了三維速度測量。Doukelis 等[19]開發(fā)了測量環(huán)形葉柵內葉尖泄漏流的LDV 技術。Tang[20]和Tian[21]利用特制的三維LDV 測量了平面葉柵葉頂間隙內速度分布。Tian 等[22-23]利用LDV 技術對帶有動壁模擬的低速平面葉柵進行了三維速度測量。事實上，國內關于LDV和PIV測速技術在軸流壓氣機中的應用也比較成熟，已經(jīng)成功實現(xiàn)葉片通道內部、葉尖間隙及非均勻葉頂間隙內的狹小空間測量，如國內馬宏偉等[24-27]利用三維LDV 測速系統(tǒng)測量了某低速大尺寸軸流壓氣機不同工作狀態(tài)下尖區(qū)泄漏渦的三維流動結構。于賢君等[28-29]利用PIV 技術測量了某1.5 級壓氣機轉子內的尖區(qū)流動，發(fā)現(xiàn)在任何工作狀態(tài)下葉頂泄漏渦都存在著非定常分裂和擺動現(xiàn)象。隨后馬宏偉等[30]在北京航空航天大學低速大尺寸壓氣機試驗臺上利用PIV 技術研究了轉子葉頂非均勻幾何形式對尖區(qū)定常和非定常流場的流動機制。劉寶杰等[31-32]在低速壓氣機試驗臺上利用PIV 技術測量了某1.5 級壓氣機轉子內的尖區(qū)流動，證明了此壓氣機在近失速情況時發(fā)生了泄漏渦破碎。此外馬宏偉等[33-34]還利用PIV 技術對壓氣機平面葉柵開展了一系列研究。

和軸流壓氣機相比，離心壓氣機機匣壁面幾何曲率大、葉片三維造型扭曲以及存在大小葉片等問題，使得利用LDV 和PIV 技術測量離心壓氣機內部流場難以實施。國內的公開資料中，很少涉及離心壓氣機LDV 和PIV 的試驗測量。因此，本文簡單介紹LDV和PIV測速技術的基本原理，梳理國外關于LDV和PIV測速技術在離心壓氣機流場測量方面的進展，并對試驗方案、試驗細節(jié)和技術難點進行討論，以期為國內研究人員提供參考，同時本文還從實際應用角度出發(fā)對該技術進行討論和展望。

1 離心壓氣機結構特點及工作原理

圖1（a）為離心壓氣機的子午截面示意圖，其中R 為徑向，A 為流向，可以看到離心壓氣機主要由4 部分組成：截面0-1、截面1-2、截面2-3 和截面3-4。截面0-1 之間為進氣裝置，其作用是把氣體以一定方向引入工作葉輪，氣流在這一段內速度C略有增加，而靜溫T和靜壓P略有下降。截面1-2 之間為工作葉輪，是離心壓氣機的主要部件，其作用是提供壓縮氣體的機械能，一般情況下包含主葉片和分流葉片。氣流流經(jīng)工作葉輪時，在離心力作用下做徑向運動，以達到增壓的目的，因此葉輪出口的壓力和絕對速度均比葉輪進口處要大。截面2-3 之間為擴壓器，根據(jù)結構不同可分為有葉擴壓器和無葉擴壓器，氣流在擴壓器內減速擴壓，其功能和軸流壓氣機靜子類似。截面3-4 之間為集氣裝置，在渦輪增壓器中一般為集氣蝸殼，在航空發(fā)動機中一般為環(huán)形集氣管，但這兩者作用均是引導氣體離開壓氣機。圖1（b）為離心壓氣機三維結構圖，擴壓器為有葉擴壓器，圖1（c）為氣流參數(shù)沿流程變化。圖中，Shroud（Shr）表示機匣，Hub 代表輪轂，Main-blade（Full blade,FB）代表主葉片，Splitter-blade（SB）代表分流葉片。

圖1 離心壓氣機結構示意圖及氣流參數(shù)沿流程變化Fig.1 Structure diagram of centrifugal compressor and variation of flow parameters along flow path

和軸流壓氣機不同，氣流在經(jīng)過離心壓氣機葉輪時，高速旋轉的葉輪使氣流方向在離心力的作用下發(fā)生變化，變?yōu)檠貜较蜻\動。因此流道方向與氣流方向必須保持一致，這就導致葉輪對應的機匣壁面曲率較大。LDV和PIV測速技術非常依賴光學訪問路徑，而離心壓氣機這種大曲率幾何結構并不利于光學路徑的布置，因此利用LDV和PIV測速技術實現(xiàn)離心壓氣機內部流場測量還存在巨大挑戰(zhàn)。

2 LDV 測量離心壓氣機內流研究進展

2.1 LDV 測速技術基本原理

激光多普勒測速技術（Laser Doppler Velocimeter，LDV）是一種單點、非接觸式測量技術，具有測量精度高、測速范圍廣等優(yōu)點[35]。其工作原理是：首先將示蹤粒子播撒到待測流場中，然后測量示蹤粒子在通過兩束相干激光時的多普勒頻移信號，最后將這種信號處理后獲得精確微粒運動速度，圖2 為LDV測試技術光路結構示意圖。

圖2 LDV 測速技術光路結構[36]Fig.2 Optical configurations of Laser Doppler Velocimeter[36]

20 世紀60年代后，LDV 測速技術被迅速引入壓氣機試驗測量中，除了具有非接觸測量的優(yōu)點外，還能測量旋轉葉片排內的相對速度和湍流強度。但該技術在壓氣機內的應用還存在諸多問題：1）光學訪問窗口曲率引起單束激光路徑畸變；2）入射激光在葉片表面和端壁近壁區(qū)反射導致信噪比降低；3）轉子葉片的幾何形狀與激光路徑干涉；4）示蹤粒子與高速流體的跟隨一致性和可探測性；5）如何保證示蹤粒子在測量區(qū)域的均勻度和粒子散射程度等。這些問題會加大測量誤差，因此需采取一些必要措施以提高測量精度，常用方法有：1）使用特制的光學玻璃以解決激光路徑畸變問題；2）在壁面涂抗反射涂層以解決激光發(fā)射問題；3）選取合適的示蹤粒子并充分霧化保證均勻度、跟隨性及可探測性等。從目前公開的資料來看，國內將LDV 測速技術用于軸流壓氣機研究較多，可參考馬宏偉等[37-39]的工作，但用于離心壓氣機流場測量的報道很少，而國外在這方面起步較早，對國內學者開展LDV 測量有借鑒意義。

2.2 LDV 測速技術測量離心壓氣機內流進展

Eckardt[40]利用二維LDV 測速技術詳細測量了一臺離心壓氣機出口的射流尾跡結構，隨后又利用激光雙焦速度儀（Laser 2 Focus Velocimeter，L2F）對該葉輪內部流場進行了詳細的測量[41]。試驗在葉輪內部設置6×10 的測量網(wǎng)格來研究內部流場，在葉輪尾緣處設置5×9 的測量網(wǎng)格來觀察尾跡的位置和形狀，測量截面如圖3所示。Eckardt 公布的測量結果提供了豐富的流場細節(jié)，可為數(shù)值模擬提供試驗驗證，并作為研究離心壓氣機葉輪射流尾跡的經(jīng)典案例被眾多學者關注。

圖3 LDV 測量截面分布[41]Fig.3 Arrangement of the LDV measurement planes[41]

Krain 等[42-43]也采用二維LDV 測速技術對離心壓氣機葉輪內流場進行了測量，在葉輪通道內部和擴壓器進口區(qū)域采用5×6 的測量網(wǎng)格來觀察通道上游射流尾跡的非定常效應和耗散情況，測量截面如圖4所示。與Eckardt 相比，Krain 考慮了近壁區(qū)的測量誤差，并指出[42-43]：遠離輪轂和壁面區(qū)域平均速度測量誤差小于1%；靠近輪轂和壁面區(qū)域，速度測量不確定性約3%。由于采用了更先進的激光測速儀，Krain 還實現(xiàn)了分流葉片通道內的詳細流場測量。但Eckardt 和Krain 并未披露更多的試驗細節(jié)。隨后Adler 等[44]分別采用LDV 和L2F 測速技術比較了后彎葉輪和徑向葉輪內的流動，結果表明后彎葉輪內的流動沒有產(chǎn)生明顯的分流現(xiàn)象，也沒有明顯的尾跡存在。

圖4 LDV 測量截面分布[42]Fig.4 Arrangement of the LDV measurement planes[42]

Hathaway 等[45]利用LDV 技術對NASA 的大尺寸低速離心壓氣機（LSCC）內流場進行了試驗研究。LSCC 是NASA 為了進行流動基礎研究而研制的大尺寸低速離心壓氣機，該試驗離心壓氣機含有一個后掠葉輪和無葉擴壓器。為了盡可能測量葉片表面邊界層內的流動信息，葉片型線從輪轂側至機匣側均為直線，激光光路平行葉片表面，可以減少葉片表面反射。在葉輪入口、中部以及出口對應的機匣壁面位置安裝了3 個光學窗口，可以覆蓋全流道流場測量。每個光學窗口具有復合曲率，在流向和周向上與機匣輪廓匹配，保證準確的葉頂間隙。圖5 給出了該低速離心壓氣機子午流道LDV 測量位置，圖中J為此截面測點數(shù)目，m/ma為測量截面位置（0 值表示葉輪進口，1 值表示葉輪出口）。示蹤粒子為聚苯乙烯乳膠（PSL）粒子，并分散在水與乙醇的混合液中，平均尺寸在0.80～0.95 μm之間，這個尺寸可以保證示蹤粒子在流場中具有很好的跟隨性；氣動霧化器將示蹤粒子在葉輪前緣3 m處霧化，水和乙醇會迅速蒸發(fā)留下懸浮在空氣中均勻的PSL 粒子。值得注意的是：將PSL 加入到水和乙醇的混合液載體中可確保單個PSL 粒子不會聚集成更大的顆粒，保證示蹤粒子在流場中的均勻度。

圖5 低速離心壓氣機（LSCC）子午流道LDV 測量位置示意圖[45]Fig.5 Meridional view of low-speed centrifugal compressor(LSCC)rotor showing laser anemometer measurement locations[45]

試驗結果表明：葉冠表面附近的無葉空間流場由兩個低動量區(qū)域組成，一個來自黏性葉片尾跡，另一個來自主流動量尾跡；試驗還成功測量到葉片表面附近的低動量流體沿展向遷移至葉尖區(qū)域。該試驗的意義在于證明大尺寸離心壓氣機有能力提供LDV測量所需要的光學訪問通道，使離心壓氣機葉輪通道內部三維速度場的測量成為可能，在特定情況下，LDV 測速技術可以得到葉片表面邊界層內流動細節(jié)。不足之處在于，大尺寸低速離心壓氣機便于開展基礎試驗研究，但卻難以模擬高速離心壓氣機內部的真實工作狀態(tài)。

隨后Skoch 等[46]在NASA 一個壓比為4 的高速離心壓氣機上進行了LDV 試驗測量，以驗證小型高速離心壓氣機中是否存在大尺寸低速離心壓氣機中發(fā)現(xiàn)的渦流結構。該高速離心壓氣機在設計流量下的轉速為21789 r/min，葉輪由15 個主流葉片和15 個分流葉片組成，葉片型線從輪轂至葉頂以準直線方式構成。沿流道在機匣壁面布置了5 個光學窗口，基本實現(xiàn)葉輪和無葉擴壓器的全部光學覆蓋，所有的測量截面與輪轂和機匣輪廓“準正交”或幾乎垂直，圖6 為子午流道方向的光學窗口分布。和Hathaway試驗方案相比，Skoch 使用了更多較小面積的光學窗口，可保證較小的幾何曲率，不僅有利于減弱激光通過光學窗口時的路徑畸變，還能減小彎曲的機匣壁面和光學窗口未完全匹配導致的局部間隙。示蹤粒子采用氧化鋁粉末，霧化后分散在100%的乙醇中，以防止氧化鋁表面電荷引起顆粒聚集；使用少量鹽酸調節(jié)乙醇-氧化鋁溶液的酸堿度以控制表面電荷。乙醇-氧化鋁混合液由位于葉輪上游的增壓箱播撒，霧化后乙醇完全蒸發(fā)，只留下氧化鋁粒子進入壓氣機，保證了示蹤粒子的尺寸和分散度。試驗時使用高頻編碼器進行測量信號鎖相，結果表明：在離心力作用下，葉片及輪轂表面會誘發(fā)低動量流體與葉頂間隙流相互摻混，并在葉輪通道和無葉擴壓器中進一步發(fā)展；該壓氣機葉輪通道內流場與上述NASA 的大尺寸低速離心壓氣機（LSCC）結果類似。

圖6 光學窗口分布[46]Fig.6 Arrangement of the optical window[46]

Hathaway 和Skoch 采用LDV 與編碼鎖相結合的技術成功測量到離心壓氣機葉輪內部流場信息，其試驗方案和試驗細節(jié)對于國內學者開展相關研究具有非常好的參考價值。例如，為了減弱機匣壁面曲率對光學路徑的影響，采取了面積較小的光學窗口，既能保證光束平直，又能保證葉頂間隙；采取直線輪廓葉型，可以很大程度上減弱葉片表面對激光的反射，使測量葉片表面邊界層成為可能。

上述幾位研究人員通過放大離心壓氣機尺寸、合理布置光路等方式成功測量到離心壓氣機葉輪內部分流場信息，為建立葉輪內流場數(shù)據(jù)庫、提供豐富試驗數(shù)據(jù)以校核計算模型提供了數(shù)據(jù)基礎。此后的研究人員進一步轉向離心壓氣機擴壓器內流場測量，以期獲得更為全面的離心壓氣機流場信息。

Schleer[47]等利用LDV 測速技術對渦輪增壓器離心壓氣機無葉擴壓器內流動進行了測量，著重分析了壓氣機在不同工況時葉頂間隙流動對葉輪出口流動結構的影響。試驗離心壓氣機無葉擴壓器后部不存在蝸殼等非軸對稱部件，因此葉輪出口處流場具有很好的對稱性。為保證流場結構完整性，試驗時采用LDV 測速技術對兩個葉輪通道后部的無葉擴壓器區(qū)域進行了詳細的測量，測量點陣為31×180×29，保證了足夠高的空間分辨率（軸向和徑向分別為0.5 和1.5 mm）。但Schleer 明確提到，由于光路反射和畸變等原因，LDV 測速系統(tǒng)在臨近擴壓器輪轂側和機匣壁面?zhèn)炔⑽传@得有效數(shù)據(jù)，圖7 為具體測量區(qū)域。Schleer 使用石蠟油顆粒作為示蹤粒子，并對其在液體中進行分散。經(jīng)過霧化后粒子平均尺寸約0.4 μm，在高速流中具有很好的跟隨性和可探測性。但其公開論文中并未披露更多試驗細節(jié)。試驗結果表明：在葉輪出口附近，射流和葉片尾跡相互作用并迅速混合，射流-尾跡結構和葉頂間隙流的疊加效應主導葉輪出口流場，并提出這種流動行為和流場結構并不符合經(jīng)典的“射流-尾跡”結構。圖8 為葉輪出口徑向速度和切向速度的測量結果，圖9 為50%葉高處的徑向速度和切向速度分布。圖中，PS 代表壓力面，SS 代表吸力面，R/R2代表測量半徑與葉輪出口半徑的比值，U2為葉輪出口圓周切線速度。測量結果可以清晰的識別出葉片尾跡、葉頂間隙流及射流-尾跡結構，具有非常好的分辨率。Schleer 研究對象為無葉擴壓器，不存在機匣壁面的大曲率幾何結構，因此在光路布置方面沒有特別大的技術難點。另外，由于無葉擴壓器內流場具有非常好的周期性和對稱性，所以其測量結果非常出色。

圖7 LDV 布置方式及測量區(qū)域[47]Fig.7 Optical setup of the LDA system and measurement area[47]

圖8 葉輪出口徑向速度和切向速度[47]Fig.8 Radial velocity and tangential velocity at impeller outlet[47]

圖9 50%葉高處的徑向速度和切向速度[47]Fig.9 Measured contours of the radial and tangential velocities at midspan for the base line clearance ratio[47]

為了研制高性能離心壓氣機，普渡大學和羅爾斯羅伊斯（Rolls-royce）公司合作開發(fā)了高性能現(xiàn)代航空發(fā)動機離心壓氣機試驗臺[48]。Gooding 等[49]利用該離心壓氣機進行了大量的LDV 測量試驗，并詳細介紹了LDV 測速技術在高速離心壓氣機研究中的試驗細節(jié)。

LDV 試驗系統(tǒng)由1 個5 W 的氬離子激光發(fā)射器、2 個探頭、1 個三軸橫向系統(tǒng)和1 個脈沖頻譜分析儀組成。氬離子激光發(fā)射器包含內部對準分束器、反射器和布拉格單元。這些光學器件可以過濾掉其他波長，僅通過氬離子激光器產(chǎn)生的3 種主要波長（514.5、488.0 和476.5 nm），并通過光纖向探頭輸出3 對光束。試驗時每對光束中的一束使用布拉格盒進行40 MHz 的頻移，以解決多普勒頻移的方向偏移誤差。設置采樣頻率為180 MHz，帶寬為120 MHz，可測量高湍流強度的超聲速流動。試驗專門設計了三軸位移裝置固定激光探頭，步進位移可達0.006 mm，可以實現(xiàn)測點的準確定位。同時操縱2 個探頭的可調支架，保證所有6 束激光束通過直徑為0.050 mm的定位孔，以確保空間單點的定位精度。

光學視窗安裝在擴壓器頂板和葉輪尾緣對應的機匣壁面?zhèn)?，覆蓋范圍從距葉輪尾緣80%處至擴壓器葉片出口，特制兩個0.5 cm 厚的熔融石英光學玻璃可以實現(xiàn)85%的流場測量。圖10 為光學窗口安裝位置，圖11 為實際測量位置。

圖10 光學窗口位置[49]Fig.10 The diffuser access window of the test stage[49]

圖11 關鍵測量位置[50]Fig.11 Key measurement locations[50]

然而，狹窄的幾何通道以及壓氣機幾何限制使得激光測點很難覆蓋氣流流動的所有區(qū)域，這種問題在小型高速離心壓氣機流場測量中更加突出。為此，研究人員設計了三種裝置來解決激光無法進入葉輪通道內部的問題：第一種，激光直接進入流道，單分量探頭垂直偏移并傾斜一定角度，以解決沿展向的測量問題；第二種，利用平面鏡將兩激光探頭發(fā)射的激光從圖10（a）左側射入擴散器；第三種，利用平面鏡將兩激光探頭發(fā)射的激光從圖10（a）左側（2 個分量）和底部（1 個分量）射入擴壓器。研究人員指出，這三種光路布置方案以及測量方式幾乎適用于所有葉輪機械測量。示蹤粒子采用癸二酸二乙基己酯，使用六噴嘴霧化器在葉輪進口前霧化，可最大程度地將示蹤粒子均勻播撒在氣流中。另外，Gooding還開發(fā)了一種新的基于混合模型的窄帶噪聲隔離統(tǒng)計方法，并給出了方法介紹、驗證步驟以及測量結果，此處對具體數(shù)據(jù)處理方法不做過多介紹。

試驗還給出了一些非常有用的建議：壓氣機內部的狹窄通道必須使用涂層減輕激光在葉輪表面的反射，以獲得足夠高的信噪比；在光學訪問窗口表面必須使用具有一定透光率、波長和入射角的抗反射涂層，以達到減少激光反射并保證傳送激光功率的雙重作用；選擇表面涂層時要確保激光能量能被涂層耗散而不是損壞，以及涂層不能與示蹤粒子發(fā)生相互作用，例如某些親油或者親水性涂層可能會增加示蹤粒子的凝結能力；離軸采集可以在不犧牲速度測量精度的情況下提高空間分辨率。采用上述先進LDV 測速技術，Gooding 首次成功獲得了航空發(fā)動機高速離心壓氣機內的非定常三維速度流場信息，圖12 給出了85% 葉高處的瞬時軸向速度分布，X以軸線為原點，代表徑向半徑/葉輪出口半徑，Y取值與X相同，但與X相互垂直。

圖12 85%葉高處的軸向瞬時速度分布[49]Fig.12 Instantaneous axial velocity contours at 85% span[49]

隨后Gooding[50]等利用上述LDV 測速技術及試驗方法對同一臺高速離心壓氣機試驗臺葉片擴壓器中的非定常三維流動進行了詳細研究，獲得了高空間分辨率的結果。試驗成功測量到通道渦流向發(fā)展的不穩(wěn)定現(xiàn)象，結果表明沿葉片壓力面存在一個邊界層分離區(qū)域。由于和上述試驗采取了同樣的測量技術和試驗方案，故不再重復介紹。Gooding 的試驗代表了LDV 測速技術在離心壓氣機中應用的較高水平，具有非常好的借鑒意義。但Gooding 并未測量到葉輪通道前緣附近的流場，如果能將Skoch 與Gooding的試驗方案結合，或許能夠測量離心壓氣機從葉輪進口到葉輪出口的完整流場，這對于研究離心壓氣機內部流動演化具有非常重大的意義。

國內馬宏偉等[38]利用三維激光多普勒測速系統(tǒng)測量研究了離心壓氣機轉子近端壁區(qū)三維湍流流場。試驗成功測量到葉片通道內葉背角區(qū)存在角渦及其伴隨渦，葉盆角區(qū)存在前緣馬蹄渦的葉盆分支，它們的發(fā)展、演化較大地影響著附近區(qū)域的流動，是造成所在區(qū)域流動阻塞和氣流脈動的主要因素，圖13給出了部分測量結果，r代表以離心壓氣機軸線為中心的測點距離。

此外，劉正先等[51]采用多普勒激光測速技術對某閉式后彎離心葉輪內三維湍流流場進行了試驗研究。試驗離心葉輪為閉式直前盤后彎單圓弧葉片葉輪，在一個流道內的測量點布置為：沿徑向方向每隔7.5 mm 取一個測點，軸向33 mm 寬度內非均勻地取7～9 個測量截面，圓周方向每次掃描14 個數(shù)據(jù)點。在國內首次實現(xiàn)了閉式通風機葉輪內三維旋轉湍流流場的試驗測量[52-53]。

綜上可知，目前國外采用LDV 測量離心壓氣機內流場已經(jīng)取得了相當大的進展，針對遮光、反射、播撒示蹤粒子等問題已經(jīng)得到一些解決方案：針對離心壓氣機葉輪內部流場測量，可以參考Eckardt[40-41]，Krain[42-43]，Hathaway[45]，Skoch[46]等的具體工作，其中Skoch 的工作非常具有參考意義；針對離心壓氣機擴壓器內部流場測量，可以參考Schleer[47]、Gooding[49-50]等的研究結果，其中Gooding 代表了目前LDV 測量技術的較高水平。

現(xiàn)對存在的技術難點及解決方案總結如下：

1）針對離心壓氣機葉輪內部流場測量，為了避免大曲率機匣壁面導致的光學路徑畸變，可以嘗試制作面積較小的光學訪問窗口，以保證較小的曲率和準確的葉頂間隙；另外，沿流向布置多個光學訪問窗口可以覆蓋葉輪進口至葉輪出口的流場測量；

2）針對離心壓氣機無葉擴壓器內部流場測量技術難度較低，在擴壓器輪轂側和機匣壁面?zhèn)却嬖诘姆瓷洹⑸⑸涞葐栴}，可以通過表面覆蓋涂層的方法進行改善；

3）針對離心壓氣機有葉擴壓器內部流場測量存在擴壓器通道示蹤粒子濃度不均勻的問題，可以采取局部播撒示蹤粒子的方法解決；

4）在所有可能存在激光反射的表面都應該使用反光涂層以防止激光反射，但需注意，反光涂層一定不能與示蹤粒子產(chǎn)生相互作用，否則會引起示蹤粒子凝結為大尺寸顆粒，從而導致無法測量；

5）示蹤粒子的選擇要考慮與流體的跟隨性和可探測性。在高速離心壓氣機中，較大的示蹤粒子更容易探測；較小的示蹤粒子慣性小，在湍流區(qū)測量中會表現(xiàn)出更高的保真度。產(chǎn)生示蹤粒子的常見方式是將示蹤粒子分散到水、甘油或乙醇中，并使用加壓空氣霧化分散混合液，從而保證示蹤粒子有較好的均勻度及分散程度。

3 PIV 測量離心壓氣機內流研究進展

3.1 PIV 測速技術基本原理

粒子圖像測速技術（Particle Image Velocimeter，PIV）是20 世紀80年代發(fā)展起來的一種非接觸式光學測速技術，能獲得被測截面上瞬時速度分布，還具有空間分辨率高、測量速度范圍廣以及可連續(xù)測量等優(yōu)點。

PIV 試驗時，在被測流體中散布示蹤粒子，通過雙脈沖激光片光照亮示蹤粒子，利用CCD 相機采集時間間隔特定的兩幀粒子圖像。基于像素與空間距離的標定關系，利用相關算法獲得圖像中每一個查詢區(qū)內粒子真實位移，計算各查詢區(qū)粒子速度進而獲得測量區(qū)域的速度場分布[36]，其基本原理如圖14所示。使用單個相機可以獲得測量區(qū)域內的二維速度分布，通過兩個傾斜相機可以獲得測量區(qū)域內的三維速度分布。

圖14 PIV 測速技術基本原理[36]Fig.14 Schematic diagram of Particle Image Velocimeter[36]

和LDV 測速技術相比，PIV 測速技術最大的優(yōu)勢是可以進行面流場的瞬態(tài)測量，克服了LDV 單點測量的缺陷。和LDV 類似，PIV 測速技術在壓氣機中應用的主要技術難點是光路布置和來自彎曲邊界的光線反射，且這兩個問題比LDV 測速技術要更為嚴重。例如，壓氣機葉片沿葉高方向的扭曲會遮擋光學路徑、葉頂間隙過于狹小導致光學路徑無法覆蓋、幾何表面的光線反射會淹沒示蹤粒子等，這些問題會對相機拍攝區(qū)域和拍攝質量造成不利影響。但這些問題是不可避免的，因此在壓氣機流場測量中大多數(shù)的PIV 測量都只覆蓋了有限的區(qū)域，這些區(qū)域基本遠離物理邊界。實際上，針對軸流壓氣機的內部測量，已經(jīng)取得了相當大的進步，國內馬宏偉等[37-39]已經(jīng)實現(xiàn)了軸流壓氣機轉子內的尖區(qū)流動測量。但離心壓氣機的彎曲機匣壁面及沿葉高扭曲的葉輪，使離心壓氣機內的PIV 測量尤其困難。截至目前為止，利用PIV 測速技術直接實現(xiàn)離心壓氣機旋轉葉輪內部流場測量尚未有公開資料，還停留在葉輪進口區(qū)域以及擴壓器內部區(qū)域的流場測量。

3.2 PIV 測速技術測量離心壓氣機內流進展

Paone 等[54]率先利用PIV 測速技術研究了低速離心泵無葉擴壓器內葉片尾跡與主流的摻混效應。Post 等[55]在開發(fā)雙色PIV 測速技術方面發(fā)揮了重要作用，隨后成功應用于平面葉柵流場測量。Eatevadeoradal 等[56]進一步開發(fā)了雙色PIV 測速技術，首先將其應用于低速軸流風機中，獲得了高分辨率的速度數(shù)據(jù)，隨后獲得了離心壓氣機擴壓器和蝸殼內的速度場分布。

Wernet[57]成功將數(shù)字粒子圖像測試技術（Digital Particle Image Velocimetry，DPIV）應用于某高速離心壓氣機的擴壓器中，獲得了擴壓器流場的瞬時速度分布，試驗對比了擴壓器內90%、50%和12%葉高處葉頂間隙流的影響，結果表明葉頂間隙產(chǎn)生的二次流會向輪轂側遷移。隨后Wernet 等[58]進一步利用DPIV 測速技術對離心壓氣機有葉擴壓器喘振進行研究，Wernet 的DPIV 試驗臺與Skoch[46]的LDV 試驗臺一致。由于DPIV 測速技術的光學限制，Wernet 重新設計了試驗方案，具體離心壓氣機子午流道如圖15所示，關于LDV 的測量窗口在此不再敘述。由于DPIV 光學訪問窗口位于擴壓器機匣壁面?zhèn)龋娣e為70 mm×70 mm，壓氣機殼體與CCD 相機干涉，相機不能直接通過該光學窗口對采集區(qū)域進行拍攝，因此采用與采集區(qū)域成45°的平面鏡反射來完成拍攝，這會造成圖像左右翻轉，需在隨后的數(shù)據(jù)處理中進行圖像補償。激光發(fā)射系統(tǒng)使用了一個小型內窺探頭，從擴壓器出口照亮采集區(qū)域，光束平面通過一個密封窗口從探頭發(fā)射，可以保護探頭內部的光學部件免受示蹤粒子的污染。為了防止高溫導致內窺探頭中的光學透鏡發(fā)生形變，使用了特殊耐高溫涂層，以抵抗高速氣流引起的反復熱/冷循環(huán)。擴壓器出口對應的機匣壁面處布置了5 個內窺探頭伸入孔，可以保證照亮4 個不同的擴壓器葉片通道。徑向位移機構帶動內窺探頭沿擴壓器葉高方向移動，可測量到擴壓器葉片通道內壓力側、吸力側以及葉輪出口和擴壓器之間的空間，具體位置和布置方式見圖16。另外，內窺探頭插入孔經(jīng)過精密機械加工，使大約一半的探頭直徑隱藏在機匣壁面中。這種設計方案既保證了內窺探頭不會干擾被測流場，又盡可能地減小了內窺探頭侵入對原始流場的影響，內窺探頭如圖17所示。

圖15 離心壓氣機子午流道示意[57]Fig.15 Schematic cross section of centrifugal compressor facility[57]

圖16 葉片擴壓器和葉輪示意圖[57]Fig.16 Schematic drawing of vaned diffuser and impeller showing the optical viewing port and light sheet probe insertion locations[57]

圖17 內窺探頭的剖面圖，顯示透鏡、反射鏡和出射窗[57]Fig.17 Cutaway view of the light sheet periscope probe showing lenses,mirror and exit window[57]

Wernet 在試驗中采用氧化鋁作為示蹤粒子，并將其分散在具有酸堿度的乙醇液體中，可允許其在壓氣機內長時間運行而不污染內窺探頭。另外，氧化鋁的耐高溫特性可以防止其在光學訪問窗口處融化而腐蝕光學窗口。示蹤粒子通過葉輪上游10 m 處的增壓噴嘴噴出，這個距離可保證示蹤粒子最大程度均勻霧化。測量結果表明，在相同離心壓氣機內，PIV 技術測到的平均速度矢量圖效果是LDV 技術測量效果的13 倍，圖18 為葉尖間隙內的瞬態(tài)流場。

圖18 葉尖間隙內瞬態(tài)流場[57]Fig.18 Tip clearance transient flow field[57]

隨后Ohuchida[59]、Cukurel[60]等采用類似的方式在離心壓氣機擴壓器附近安裝透明光學視窗，利用PIV 記錄主流和葉輪尾跡相互作用以及在擴壓器內的發(fā)展過程，其方案與Wernet 等的試驗方案類似，在此不做過多介紹。

Hayami 等[61]利用PIV 技術并結合鎖相技術對跨聲速離心壓氣機誘導輪前緣附近的流場進行了精細測量。入射激光經(jīng)光片投影儀和反射鏡從誘導輪前緣上游370 mm 處反射進入拍攝區(qū)域；采用鄰苯二甲

酸二辛酯作為示蹤粒子，經(jīng)過霧化后由誘導輪前緣上游300 mm 處釋放；光學窗口安裝在誘導輪對應的機匣壁面處。為解決蝸殼和CCD 相機干涉問題，采用多個平面鏡反射測量，圖19 為具體試驗方案布置，圖20 為光片投影儀。試驗結果可以清晰地觀察到葉片吸力面上產(chǎn)生的激波，以及一個葉片節(jié)距上的速度場，證實了PIV 技術和鎖相技術結合的有效性。

圖19 壓氣機和PIV 系統(tǒng)子午剖面視圖[61]Fig.19 Meridional profile of the test compressor and PIV system[61]

圖20 光片投影儀[61]Fig.20 light sheet projector[61]

德國航空航天推進研究所（DLR）Voges 等[62]利用PIV 技術測量了一個設計轉速為50 000 r/min 的高壓比跨聲速離心壓氣機葉片擴壓器內部流動。試驗設計LSP 導光臂和石英光學窗口以實現(xiàn)較大的測量區(qū)域和較高的空間分辨率，其中石英光學窗口和擴壓器機匣可以精密匹配，盡可能降低光學窗口對流場的擾動。為了承受壓氣機運行期間的高溫高壓，光學窗口選擇一體化制造；在光學窗口和機匣接縫處以硅酮密封，盡量避免因邊緣應力導致光學窗口破裂。CCD 相機采用雙快門照相機，其空間分辨率為1600 pixel×1200 pixel，幀頻為15 Hz。與之前采用的PIV 拍攝相機相比，幀頻增加了大約5 倍。PIV 試驗成功測量到擴壓器葉片通道內的平均速度場和瞬時速度場。圖21 為試驗離心壓氣機及光學窗口開設位置，圖22 為相機和光源布置方案。

圖21 離心壓氣機及PIV 系統(tǒng)[62]Fig.21 Compressor facility and PIV set up[62]

圖22 PIV 安裝示意圖[62]Fig.22 Schematic of the compressor stage including the PIV setup[62]

普渡大學Cukurel 等[63]利用PIV 技術實現(xiàn)高速離心壓氣機葉片擴壓器通道內流場測量，結果表明擴壓器內流場結構復雜，葉輪出口和擴壓器進口之間的無葉空間內存在明顯的摻混現(xiàn)象。該PIV 試驗獲得的流場結果將用于計算流體力學的模型驗證，有望進一步改善壓氣機性能，同時PIV 技術在離心壓氣機應用中的潛力也得到了證明。

德國亞琛工業(yè)大學Ubben 等[64-65]在以前的研究基礎上，利用更先進的PIV 技術研究了可調控葉片擴壓器間隙效應。試驗中利用內窺鏡技術將激光從擴壓器后部反射到擴壓器葉片通道內，CCD 相機通過拍攝平面鏡反射測量區(qū)域的粒子圖像完成測量。圖23 為PIV 測量區(qū)域示意圖，圖24 為試驗布置方案，試驗成功測量到葉片擴壓器內流場，并給出了可信的PIV 測量結果，因此Ubben 等的試驗方法具有非常高的借鑒意義。結果表明：間隙高度對擴壓器的流動特性有主導作用，間隙高度控制間隙流量的大

圖23 PIV 測量區(qū)域及測量結果（z/b=50%）[65]Fig.23 PIV measurement area and measurement results at z/b=50%[65]

圖24 PIV 在離心壓氣機試驗臺的布置方案[65]Fig.24 Implementation of PIV at centrifugal compressor test rig[65]

小以及葉片兩側的壓差；葉輪出口與擴壓葉片進口之間的徑向間隙決定了無葉空間中的流道長度，也決定了擴壓葉片喉部渦的強度。

以上的PIV 試驗大多集中在對較大尺寸離心壓氣機葉片擴壓器內的流場測量，也有部分學者對小型如渦輪增壓器高速離心壓氣機進行了研究。

辛辛提那大學Guillou 等[66]利用DPIV 技術對渦輪增壓器離心壓氣機失速演化和失速控制做了一系列詳細研究，試驗離心壓氣機葉輪出口直徑為88 mm，擴壓器出口直徑為152 mm，轉速高達124000 r/min。Guillou 的研究重點聚焦于離心壓氣機葉輪進口的流場，該流場空間較大，易于拍攝，因此不需要設計光學視窗，其測試在光路布置方面幾乎沒有技術困難。示蹤粒子采用0.4～1.2 μm 的Laskin 型氣溶膠，在葉輪進口前1.5 m 處利用高壓噴嘴將其霧化。使用兩臺幀頻為5 Hz 的高速攝像機進行三維PIV 拍攝，然后采用一個2.0 mm×2.0 mm×2.5 mm間隔交叉網(wǎng)格的透明校準靶將攝像機拍攝平面與激光片平面對準標定。試驗成功測量到離心壓氣機穩(wěn)定和不穩(wěn)定狀態(tài)下葉輪進口前附近的流場演化，結果表明不穩(wěn)定狀態(tài)下氣流會從葉輪通道內反向回流至進氣道中，低轉速下這種現(xiàn)象更為顯著。試驗還分析了葉輪進口的導流罩效應，圖25 為Guillou 等采用的PIV 進口測量方案，圖26 為設計工況測量和非設計工況測量結果對比，可以觀察到非穩(wěn)態(tài)時葉輪進口處存在明顯的回流分離區(qū)，圖中vxy代表x-y平面的速度，其余可依次類推。

圖25 PIV 測速系統(tǒng)示意圖[66]Fig.25 stereoscopic PIV configuration schematics[66]

圖26 從穩(wěn)定狀態(tài)到失速狀態(tài)（從左到右）64000 r/min（上）和88000 r/min（下）的流線和平均vxy 速度分量[66]Fig.26 Streamlines and AVG vxy vector components at 64000 r/min(top)and 88000 r/min(down)from stable regime to stall regime)[66]

為提高壓氣機的效率和工作范圍，在葉輪前緣處增加了一種再循環(huán)裝置[67]，并利用PIV 測速技術、動態(tài)壓力傳感器結合鎖相技術等進行了一系列試驗，測量了失速到喘振過程中葉輪前緣流場的動態(tài)變化，圖27 給出了不同PIV 試驗中相機的布置方式。

圖27 幾種不同的進口測量方案[66,69]Fig.27 Several different import measurement schemes[66,69]

最近，Banerjee[70]利用立體粒子圖像測速技術（Stereoscopic Particle Image Velocimetry，SPIV）研究了小型高轉速渦輪增壓器壓氣機進口不同工況下的流場，最高轉速為150000 r/min，葉輪出口直徑為49 mm，無葉擴壓器出口直徑為85.2 mm。試驗時將進口管道替換成特制的透明玻璃管道，以滿足SPIV 試驗光路要求，并利用兩個互成90°的高速相機連續(xù)捕捉葉輪前緣流場結構，圖28 為光路布置方案及PIV 測量區(qū)域，圖29 為葉輪進口區(qū)域拍攝平面的軸向速度va、徑向速度vr、周向速度vt分布。試驗結果表明：在大流量情況下，流場均勻；隨著流量的減小，在進口管道可以明顯觀察到前緣溢流現(xiàn)象，前緣溢流在壓氣機特性圖的效率峰值區(qū)域附近開始，靠近管道外圍的回流具有較高的旋流強度，和主流摻混后將部分切向速度傳遞給主流，這種現(xiàn)象隨著流量的減小而增強。Gancedo[66-69]和Banerjee[70]的工作對小型高速離心壓氣機的PIV 測量具有比較好的參考價值。

圖28 壓氣機進口管道及PIV 測量方案[70]Fig.28 Compressor inlet pipe and the PIV setup[70]

圖29 輕度喘振平均速度分布[70]Fig.29 Time-averaged velocity distributions at mild surge[70]

通過總結歸納可以看到，PIV 測速技術在離心壓氣機內的應用主要集中在擴壓器內部流場測量以及葉輪前緣流場測量，Wernet[57-58]關于擴壓器內部流場測量的工作具有較高的參考價值，包括光學窗口布置方式、片光源的布置方案、示蹤粒子的播撒方式等；而Gancedo 等[66-69]針對葉輪前緣流場測量則代表了當前最高水平，其相機的布置方式以及激光布置方案非常值得學習。

目前采用PIV 測速技術測量葉輪內部流場鮮有報道，主要原因是機匣壁面曲率過大、葉片幾何造型扭曲導致無法合理布置激光片光的打光方式，上述問題進一步限制了PIV 測速技術在離心壓氣機內的應用。其他如激光在壁面反射、散射以及示蹤粒子等問題，PIV 測速技術和LDV 測速技術類似，在此不做過多討論。

4 討論與展望

LDV和PIV測速技術作為兩種典型的非接觸式測量技術，在離心壓氣機內流場測量中展現(xiàn)出了巨大潛力。LDV 測速技術成熟，適用范圍廣，可滿足高速、低速、高湍流度、分離和回流等復雜流場，是典型的單點測速方式，在近壁區(qū)有較好的測量結果，但不能同時獲得空間內的速度場信息；PIV 測速技術克服了LDV 測速技術單點測量的限制，能完成二維及三維流場瞬時測量，但存在壁面反光問題，在近壁區(qū)測量結果尚不理想。本文通過梳理國內外LDV 和PIV測速技術在離心壓氣機內部流動應用進展，現(xiàn)做以下幾點討論：

1）LDV 測速技術在離心壓氣機中的應用相對成熟，通過合理布置光學路徑、開設光學窗口、選擇測量區(qū)域已經(jīng)基本實現(xiàn)了離心壓氣機的全流場測量，如Eckardt[40-41]、Skoch[46]等已經(jīng)實現(xiàn)了離心壓氣機通道內部的流場測量，Schleer[47]、Gooding[49-50]等已經(jīng)完成有葉擴壓器內部流場測量。

2）PIV 測速技術在離心壓氣機的應用不如LDV測速技術成熟。大尺寸低速離心壓氣機基本可以實現(xiàn)擴壓器內部流場及葉輪前緣流場測量，可參考Wernet[57-58]和Ubben[64-65]等的工作；小尺寸高速離心壓氣機目前只能實現(xiàn)葉輪前緣區(qū)域流場測量，可參考Gancedo[66-69]等的工作，主要原因是小尺寸高速離心壓氣機擴壓器高度可能僅有幾毫米，這對PIV 的光學路徑、相機拍攝方案提出了巨大挑戰(zhàn)。

3）LDV 和PIV 測量過程中，都存在試驗件表面反光問題，PIV 測量中采取片光源，這種現(xiàn)象更加嚴重。目前而言，一般對試驗件表面覆蓋吸光涂層、采用透光材料制作試驗件等措施盡量降低反光。

4）在LDV和PIV測速試驗中，示蹤粒子的均勻分散、有足夠高的濃度、跟隨性強、可探測性好等是最關鍵的因素。示蹤粒子由增壓箱霧化播撒[46]或專門設計的多點管道播撒[70]。示蹤粒子多為煙霧發(fā)生器、霧化甘油和水/油的混合物、乙醇分散體中的氧化鋁等。

國內在應用LDV 和PIV 測量離心壓氣機內流場方面尚處于起步階段，尤其在高速離心壓氣機方面。雖然有離心葉輪的PIV 測量報道，但多在低速離心泵內方面，且介質為水，這與高速離心壓氣機還存在較大差別，在此不做過多討論。從目前利用LDV 和PIV技術測量離心壓氣機內流場來看，LDV和PIV測速技術在離心壓氣機中的應用還應從以下幾個方面進行挖掘和發(fā)展：

1）同時使用LDV 和PIV 測量技術來研究離心壓氣機流場。目前的研究結果表明，LDV 技術能夠比較準確地測量葉輪通道內三維流場，PIV 技術在測量離心壓氣機進口和擴壓器內流場時可以取得較準確的結果。因此可以同時使用這兩種測速技術，取長補短，實現(xiàn)離心壓氣機內流場的精細化測量；實際上Wernet[57-58]和Skoch[46]的工作已經(jīng)表明，可以同時采用LDV 和PIV 對離心壓氣機內流場進行測量。兩種測速技術同時使用的技術困難主要取決于所研究離心壓氣機的幾何尺寸，尺寸過小的離心壓氣機，由于空間干涉，PIV 和LDV 測量存在一定難度。

2）利用三維PIV 技術測量離心壓氣機葉輪內流場。離心壓氣機葉輪曲率較大、葉片扭曲嚴重，葉輪內部會存在由于大逆壓梯度造成的局部回流、邊界層分離、泄漏渦破碎及二次流等復雜流場結構。三維PIV 測試技術可以實現(xiàn)瞬時速度場的測量，有助于更加全面、透徹地了解離心壓氣機內部復雜三維流場結構。

3）針對離心壓氣機內部流動參數(shù)測量，LDV和PIV 測速技術結合其他手段同時測量是未來發(fā)展的主要趨勢。現(xiàn)代測試技術發(fā)展的一個方向是同時進行多參數(shù)測量，如PSP 和TSP 可以實現(xiàn)葉片表面的壓力和溫度測量，LDV 或PIV 可以測量流場三維速度，傳統(tǒng)的氣動探針、動態(tài)壓力傳感器可以實現(xiàn)流場壓力、溫度的測量。因此，多種技術結合使用一定是未來離心壓氣機流場測量的新方向，這對分析離心壓氣機內部復雜流場具有重大意義。