大型风洞PIV粒子发生装置研制

岳廷瑞，张 逊，李付华，赵亮亮，张婷婷

(中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000)

0 引言

示踪粒子作为流体速度的代表，需要具备良好的跟随性、较高的散射效率、良好的物理和化学特性以及足量可控的流量。市面上有很多小型的基于加压或加热原理的粒子发生器，比如Laskin粒子发生器、舞台发烟器等，其对于大型风洞来说，其粒子量远远达不到需求，同时在风洞中的安装投放也比实验室或小型实验设备中复杂的多。

在国外，W.Beyer等人在Bremen大学的LSWT风洞中进行流场测试时，采用烟雾发生器所产生平均粒径1 μm的粒子作为示踪粒子[1]，粒子发生器工作面积约0.5 m×0.5 m，如图1所示。

美国DERA风洞中开展试验时，粒子发生器放置在收缩段出口，如图2所示。发生器工作面积为2.3 m×0.8 m，但测量速度较低，其总流量较小。粒子发生器采用CIRA所制作的粒子发生器，工作材料为橄榄油，粒子粒径约1 μm[2]。

图2 DERA风洞中粒子投放图

德荷风洞(DNW)LLF回流式风洞中采用Laskin nozzle粒子发生器产生粒子[3-4]。发生器工作方式为加压气流通过粒子发生器将粒子输入测试区域，发生器工作面积约0.5 m×0.5 m，粒子粒径<1 μm，如图3所示。TST-27直流式跨超声风洞中粒子发生器[5-6]为内部压力为10个大气压的旋风分离器，粒子发生器工作面积0.26 m×0.3 m，示踪粒子为TiO2，粒子粒径约50 nm。

图3 DNW-LLF风洞中粒子投放图

德荷风洞( DNW)SST直流式超声速风洞中粒子发生器为120 Laskinnozzle[7]，压力3.5 bar，发生器四角分别通过钢丝索与风洞壁面固定，未介绍其测量面积大小，如图4所示。

图4 DNW-SST风洞中粒子投放图

在国内，上海交大刘洪等人[8]针对高速复杂流场的PIV测试现状，总结了应用于超声速流场PIV技术发展过程中示踪粒子及布撒系统所遇到的一系列挑战，其中一个重要挑战就是流量不足的问题。荣臻等人[9]设计了一套超声速风洞PIV示踪粒子布撒装置，提出了利用发生器罐体内的真空度吸入示踪粒子的加注方式，但在封闭空间内，所需粒子流量有限。陈小虎等人[10]研究了示踪粒子对超声速混合层的湍流变动作用。王彦值等人[11]针对法向马赫数大于1.4的高速流动所提出粒子松弛特性分析模型，结合理论分析与数值模拟方法，发展了高速流动下的示踪粒子布撒技术，使用TiO2作为粒子材料，测量面积较小。中国计量大学张振刚[12]等人分别采用玻璃微珠和微小油雾作为水和气体的示踪粒子，并在循环水池和大尺度封闭实验空间内预先撒播示踪粒子，提出大尺度封闭空间的粒子预撒播可以大幅提升粒子的时空均匀性。北航的陈莹[13]等人通过对实测风速及流场均匀度的比较,得出在实验段出口处向风洞投放粒子，使其在风洞中循环的方法是最佳散播粒子方式的结论。还有其它学者也开展了相关研究工作[14-20]。

综上所述，在大型风洞中投放示踪粒子，既要保证测量面积大，又要保证试验速度较高，还要持续不间断的供应是非常困难的，能够方便、经济的产生，并且能持续、足量、均匀地供应，是在大型风洞中开展PIV试验的关键。目前尚未见有专门的大型粒子发生器研制和应用的相关文章。

本文针对大型风洞试验，研制了一套加热蒸发式粒子发生器，产生粒子流量大，可以满足4米量级直流式风洞不小于70 m/s速度下持续粒子供应的需求，同时使用的粒子材料经济性好。

1 方案设计

1.1 粒子发生器设计

粒子发生器的基本设计思路是：通过向粒子发器内以一定压力持续供应液体材料，而后以一定温度将液体蒸发汽化，最后通过粒子筛选器使其均匀排出。

设计时重点解决以下几个问题：1)要保证能将足量的材料充分加热汽化，主要通过增大受热面积提高加热效率;2)保证排出粒子的大小与均匀性符合要求，主要通过适合的粒子材料选择和蒸发器出口的粒子筛选实现;3)要使用方便高效，主要通过设备结构的集成化设计和测控系统的闭环控制来实现。

设备主要由供料装置、蒸发器、粒子筛选器、废料回收装置、控制系统等组成。其工作原理如图5所示。材料经齿轮泵注入蒸发器内，在蒸发器中加热蒸发形成高温蒸汽；高温蒸汽在蒸发器内部形成高压，经蒸汽喷嘴进入粒子筛选器中；在粒子筛选器中，高温蒸汽与冷空气混合冷凝形成微小粒子，同时粒子受离心风机从腔体侧面输入的气流作用作旋转运动，在此过程中，较大粒子受离心力作用与腔体壁面接触汇聚成液体，较小粒子则从筛选器粒子出口输出用于试验，从而实现粒子筛选。材料回收装置与蒸发器出料口、粒子筛选器联通，用于回收工作过程中多余的材料。

图5 工作原理图

供料装置用于为蒸发器持续提供材料，通过闭环的压力控制让进入蒸发器的液体保持恒定的压力和流量，并可根据试验情况调节流量大小。

蒸发器用于对液态材料进行加热蒸发，并将高温蒸汽通过喷嘴排放至粒子筛选器中。其中加热汽化温度应在材料的沸点与燃点之间根据试验情况进行具体选择。要通过控制系统保证温度恒定以持续的对材料进行加热，确保粒子的稳定输出。

粒子筛选器位于蒸发器上方，主要由离心风机和粒子筛选腔构成。采用可调速离心风机使粒子混合空气进入筛选器，混合空气高速旋转、碰撞，将粗大粒子留在筛选器内，排出均匀的大小一致的粒子，同时可对蒸发器喷出的高温粒子进行降温。

材料回收装置用于收集工作过程中蒸发器和粒子筛选器中的剩余材料，其主要由蒸发器未完全消化的材料和高温粒子冷凝产生的液体组成。设计时应提高加热效率，使进入发生器的材料尽量消化，减少回收的废料。

控制系统用于集中控制粒子发生器的工作运行，主要由面板、蒸发腔压力控制器、缓冲罐压力控制器、温度控制仪、直流调速器和指示灯等组成。

按系统功能主要分为温度控制、流量控制、压力控制三部分，均实行闭环控制。

1)温度控制部分：使用热电偶检测蒸发器的温度，反馈给温度控制仪；根据温度控制仪设定温度的上下限，通过控制继电器的通断来控制加热管持续工作。温度控制系统控制逻辑如图6所示。

图6 温度控制逻辑图

2)流量控制部分：使用无级调速齿轮泵，通过调节转速实现进液流量调节。其电源通断由缓冲罐压力下上限控制，当达到压力上限时停止工作，当低于下限时启动工作，当界于上下限之间时持续工作。最终实现液体材料以一定流量和压力持续向发生器供应。

3)压力控制部分：设置两个压力表分别实时检测缓冲罐与蒸发腔压力，根据设定的上下限控制供液装置工作。其控制原理如图7所示。

图7 压力控制系统原理

1.2 粒子材料选择

通过大量研究人员的实践经验总结，在粒子材料选择方面，常用的固体材料主要有Al2O3、TiO2、聚苯乙烯等，液体材料主要有乙二醇、硅树脂油、水、甘油、DEHS等，作为一种清洁材料，液态二氧化碳在大尺度风洞中有较好的应用前景[21]。同时，在大型风洞试验中，成本也是一个必须考虑的重要因素。

在粒子跟随性方面，研究表明，常规条件下，液体中粒径10～20 μm、空气中粒径1～5 μm时跟随性最好，需要根据不同材料的特性和应用场合进行具体分析。

通过预先地面测试，选择粒子大小适合、成本较低的乙二醇作为原材料，其测试指标见图8，相比小型试验设备使用的DEHS成本降低了80%。

图8 粒子直径分布

2 设计计算

以上介绍了粒子发生器的设计原理及基本方案，其核心是将液体材料通过热能汽化，因此进入发生器的流量直接决定了产生的粒子量，所以，需进行所需要的流量以及转化所需能量的计算，同时应其考虑工作效率问题。

2.1 材料流量计算

流量计算的目的是根据风洞尺度、风速、测量面积等要求计算达到试验条件所需的粒子量，进而计算所需的材料流量。

计算中应考虑图像处理时搜索窗大小、单个搜索窗所需基本粒子数、粒子直径、片光厚度、相机像素、视场大小及材料的理化特性等指标，根据PIV试验所需的风洞最大风速的要求，整合得到材料流量计算条件如表1所示。

表1 计算条件

材料计算前作如下假设：所生成的粒子为球形，忽略液态材料热胀冷缩效应引起的密度变化，获得标准视场的有效面积比(η)为0.25。则材料需求流量计算公式为：

qm=S/η·v·φ·ρ

式中,qm为材料总流量，S为视场面积，η为有效面积比，v为风速，φ为粒子体积浓度比，ρ为材料密度。

粒子体积浓度比计算公式为：

φ=Nv·Vs

Vs=(4/3)πr3

式中,Vs为单个粒子体积，Nv为单位体积内粒子个数，r为单个粒子半径。单位体积内粒子个数计算公式为：

Nv=(Np/S)/δ

Np=n·p/w

式中,Np为图像视场内粒子个数，δ为片光厚度，n为搜索窗内粒子个数，p为图像像素，w为搜索窗像素。

通过计算，得到在满足风洞试验最大风速下所要求的材料消耗量。

2.2 加热功率计算

加热功率计算的目的是计算将满足试验要求量的液体材料加热汽化所需的能量。

材料加热过程中，为保证试验安全，蒸发器内应在沸点和燃点之间选择合适的温度。同时计算时应依据所选材料的理化特性指标。

材料加热过程中能量消耗由两部分组成：一部分为材料由液态加热蒸发为气态所需要的能量；另一部分为高温蒸汽继续升温至设定温度所需要的能量。单位质量材料蒸发需要的能量计算公式为：

W=W1+W2

W1=(T2-T1)·c+HvW2=(T3-T2)·c

式中,W为单位质量材料蒸发需要的总能量，W1为单位质量的材料由液态蒸发为气态所需要的能量，W2为单位质量的气态材料继续升温所需要的能量，T1为室温，T2为材料沸点温度，T3为蒸发器内温度，c为比热容，Hv为材料汽化热。

通过计算，得到单位质量的液体材料加热蒸发至设定温度所需要的能量。则要求的蒸发器的加热功率为：

Pm=W·qm

最后，根据所得加热功率数据校核加热管，同时应考虑热传递过程中的能量损耗。

2.3 工作效率计算

蒸发器的工作流程分为准备阶段和间歇式加热阶段。在准备阶段过程中，先由不含材料的蒸发器在加热管的作用下预热至设定温度。在间歇式加热阶段过程中，加热管停止加热，材料进入蒸发器，并由蒸发器内部余温对材料加热蒸发，直至蒸发器温度降至下限时加热管再次工作，如此形成间歇式的周期工作状态。

蒸发器周围填充隔热材料，加热过程中忽略热量流失，则准备阶段时间的计算公式为：

t1=(c2·ΔT1·m2)/P

式中，t1为设备准备阶段时间，c2为蒸发器材料的比热容，ΔT1为设备从室温加热至设定温度变化量，m2为加热板重量，P为加热管总功率。

间歇式加热过程中，通过计算温度维持时间和再次加热时间可得到间歇式加热周期t2。设定蒸发板的温度控制范围ΔT2，得到间歇式加热周期计算公式为：

t2=(c2·ΔT2·m2)/Pm+(c2·ΔT2·m2)/P

式中,t2为间歇式加热周期时间，ΔT2为蒸发板温度控制范围，Pm为材料加热需求的功率。

通过计算，得到蒸发器的维持时间，蒸发器再次升至设定温度的时间以及间歇式加热周期。

3 试验验证

3.1 粒子粒径测量

利用PDI(phase Doppler interferometer，相位多普勒干涉仪)系统，测量粒子发生器发出的粒子粒径分布情况，发现粒子粒径集中在5 μm以下，中心区在2 μm左右，符合空气中粒径1～5 μm的要求，如图8所示。表明通过离心筛选的方式从根本上保证了粒子大小的均匀性和跟随性。

3.2 风洞试验验证

为进一步研究粒子发生器的性能及其对PIV流场测量结果的影响，在中国空气动力研究与发展中心Φ3.2 m风洞中进行了性能测试试验。

Φ3.2 m风洞是一座开闭口两用的回流式风洞，试验段截面为圆形，直径为3.2 m，开口试验段的最高风速可达115 m/s。使用的PIV系统光源为脉冲式双Nd:Yag激光器，单脉冲能量500 mJ，脉冲宽度为6～8 ns。CCD相机分辨率为4 008×2 672像素，最大采集频率2对/秒。同步控制器具有7个同步控制通道，延时控制精度优于10 ns。

试验首先研究了粒子对气流湿度的影响规律。具体方法是：将湿度测量仪放置在流场中，在试验开始前记录风洞内空气湿度初读数，然后在试验开始后，每隔1 min记录气流湿度。持续投放时间不少于10 min，观察湿度变化情况。停粒子待风洞吹干至初始值后再次测量，重复测量3次。得到结果如表3所示。

表3 湿度记录数据

从测量结果看，空气湿度维持在一个比较稳定的水平，投放粒子时间对空气湿度影响较小。

验证试验选择了经典的圆柱绕流流场测量，测量视场大小1 000 mm×700 mm，按如下步骤进行：

1)安装好圆柱体模型；

2)安装PIV设备并调整激光与相机的位置，确保相机能完整的拍到圆柱尾部流场；

3)相机标定；

4)启动粒子发生器，并在试验过程中持续投放；

5)启动风洞，风速10 m/s；

6)记录数据并计算；

7)增加风速进行下一次记录，风速从10 m/s开始，至70 m/s，每10 m一个台阶。

试验现场如图9所示。

图9 验证试验现场图

测量的粒子如图10所示。从粒子灰度图来看，粒子分布均匀，光散射效果好，没有出现明显噪点。

图10 粒子灰度图

对粒子图像进行互相关分析，并绘制流线图，计算结果规律性好且无异常速度矢量，表明粒子跟随性等指标满足要求。风速70m/s时流场流线如图11所示。

图11 流场流线图(风速70 m/s)

通过设备研制，粒子发生器应用在了大量的试验研究中。比如，在中国空气动力研究与发展中心4 m量级风洞开展的共轴刚性旋翼悬停流场的 PIV 风洞试验研究，得到了不同状态下桨尖涡的脱落轨迹以及流场速度矢量图。其拍摄的粒子图和计算结果如图12～13所示[22]。

图12 旋翼试验粒子图

图13 旋翼试验流场计算结果

4 结束语

本文通过原理设计、分析计算和试验验证，成功研制了适用于大型风洞PIV试验的粒子发生装置，解决了在大型风洞中开展PIV试验的关键问题，并应用到了大量的工程实践中，具有重要的工程实用意义。通过研究，可得到以下结论：

1)在大型风洞PIV试验中，采用经济性好的油基材料加热蒸发的方式，可持续、足量、均匀地供应示踪粒子，是一种较好的粒子产生方式。

2)在粒子发生装置设计时，应充分考虑实际所需粒子流量，并针对选择的粒子材料的理化特性开展计算分析。

3)离心筛选的方式可从根本上保证粒子大小的均匀性，且采用油基材料产生的粒子对风洞气流湿度响很小。