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PIV技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用
戴静君;姜义忠;董守平
【期刊名称】《实验流体力学》
【年(卷),期】2003(017)004
【摘要】对三种高环流系数叶片叶型和五种相对节距的涡轮叶栅进行内流场试验研究,在研究中采用粒子成像测试技术(PIV),获得叶栅内S1m流面的全流场流动信息,并采用拓扑图论原理经计算机进行图像处理,获得S1m流面的速度矢量场和旋度场.对所获得的叶栅内流场分析表明,随着涡轮环流系数的增加,液体流经叶栅的能量损失增大;随着叶栅相对节距的增大,叶栅内脱流区增大、漩涡区的旋度值随之增大.该研究结果将给涡轮叶型的设计提供有价值的参考.
【总页数】4页(P68-70,83)
【作者】戴静君;姜义忠;董守平
【作者单位】北京石油化工学院,北京,102617;石油大学,华东,257061;石油大学,北京,102200
【正文语种】中文
【中图分类】O353.3
【相关文献】
1.应用PIV技术测量幂律流体在环空管道内的流场 [J], 历玉英;刘扬;陈建业;周立杰
2.超跨声涡轮扇形叶栅试验流场周期性设计 [J], 唐国庆;黄康才;薛伟鹏
3.叶片正弯曲对涡轮静叶栅流场影响的试验研究 [J], 谭春青;陈海生;康顺;蒋洪德;蔡睿贤;梁锡智
4.平面涡轮叶栅内旋涡结构的试验研究 [J], 张华良;谭春青;陈海生;山本孝正
5.叶片反弯曲对涡轮静叶栅流场影响的试验研究 [J], 陈海生;谭春青;康顺;梁锡智因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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涡轮平面叶栅端壁附近的流动和损失摘要：本文基于数值模拟方法，深入研究了涡轮平面叶栅端壁附近的流动和热损失的行为。
研究结果显示，随着流态参数的变化，涡轮平面叶栅端壁附近的流动和损失也会发生变化。
本文进一步讨论了这种变化如何影响涡轮的效率。
关键词：涡轮平面叶栅，端壁，流量，热损失，流态参数正文：首先，本文介绍了数值模拟方法在研究涡轮流动中的应用，并讨论了研究参数的选择。
然后，本文运用数值模拟方法来深入研究叶片端壁附近的流动。
通过改变流态参数，研究了不同参数下涡轮叶片端壁附近的流动和热损失的行为。
结果表明，随着流态参数的变化，涡轮叶片端壁附近的流动和损失也会发生变化。
本文进一步讨论了这种变化如何影响涡轮的效率。
最后，结合实际情况提出了加强涡轮效率的方法，为提高涡轮能量利用率提供了理论参考。
数值模拟是一种研究流体问题的有效方法，它可以用来模拟运动物体的流量、热力学损失和流场演变等过程。
在本文中，我们运用数值模拟的方法来探讨涡轮叶片端壁附近的流动和热损失的行为。
首先，我们建立了相应的数值模型，包括涡轮平面叶栅端壁的几何形状，流体性质参数和网格分布等，然后用模拟程序将相关参数输入模型，并在改变参数值的情况下，进行精确的模拟。
我们预测了涡轮叶片端壁随着流态参数变化时的流动和损失情况，包括流量、热量、温度和压力等。
我们通过给出系统数据，以及与实际测量结果的比较，证明了利用数值模拟方法定量研究涡轮叶片端壁的流动和热损失的可靠性，从而为涡轮的优化提供了参考。
在本文中，我们还讨论了流态参数对涡轮叶片端壁附近流动、温度和热损失的影响。
研究表明，当流态参数变化时，叶片端壁流动和损失会有所变化。
我们发现，流态参数对涡轮效率的影响是非常重要的，随着流态参数的变化，涡轮的效率也会有所不同。
我们发现，当流态参数处于一定范围内时，涡轮的效率也最高，与其他流态参数相比，在这个范围内涡轮的效率最佳。
此外，本文还针对实际情况提出了优化涡轮效率的方法，例如调整涡轮叶片端壁附近的流动状态，通过改变叶片尺寸、改变叶片材料或使用更显著的增油技术等进行优化，以提高涡轮的能量利用率。
第1篇一、实验目的本实验旨在通过对涡轮叶片进行理化分析，了解其材料性能、微观组织结构以及表面处理效果，为涡轮叶片的设计、制造和性能优化提供科学依据。
二、实验材料与方法1. 实验材料本次实验使用的涡轮叶片材料为高温合金，具体牌号为XXX。
2. 实验方法（1）材料性能分析：采用X射线衍射（XRD）技术分析涡轮叶片的晶体结构，利用扫描电镜（SEM）观察叶片表面形貌和微观组织，采用能谱分析（EDS）检测叶片表面的元素组成。
（2）微观组织分析：利用光学显微镜（OM）观察叶片的宏观组织，采用透射电子显微镜（TEM）观察叶片的微观组织。
（3）表面处理效果分析：采用原子力显微镜（AFM）测量叶片表面的粗糙度，利用X射线光电子能谱（XPS）分析叶片表面的化学成分和结合能。
三、实验结果与分析1. 材料性能分析（1）XRD分析结果显示，涡轮叶片主要由面心立方（FCC）结构组成，晶粒尺寸约为100μm。
（2）SEM分析表明，叶片表面光滑，无明显的裂纹、孔洞等缺陷。
（3）EDS分析结果显示，叶片表面主要含有Ti、Al、Cr、Ni、Co等元素，符合高温合金的成分要求。
2. 微观组织分析（1）OM分析显示，叶片的宏观组织为多边形晶粒，晶粒尺寸约为100μm。
（2）TEM分析表明，叶片的微观组织为细晶强化，晶粒尺寸约为1μm。
3. 表面处理效果分析（1）AFM测量结果显示，叶片表面的粗糙度为0.5μm，表面平整。
（2）XPS分析表明，叶片表面主要含有Al、Ti、O、C等元素，表面形成了Al2O3、TiO2等热障涂层。
四、结论1. 涡轮叶片材料为高温合金，具有优异的力学性能和耐高温性能。
2. 叶片表面光滑，无明显的缺陷，有利于提高其使用寿命。
3. 叶片表面形成了热障涂层，提高了其抗热冲击性能。
4. 通过对涡轮叶片进行理化分析，为叶片的设计、制造和性能优化提供了科学依据。
五、建议1. 进一步优化涡轮叶片的制造工艺，提高其尺寸精度和表面质量。
成绩北京航空航天大学叶轮机械原理实验报告学院能源与动力工程学院专业方向热能与动力工程班级120421学号学生姓名指导教师实验四涡轮叶栅流场显示实验4.1实验目的1、熟悉流动显示的实验方法，掌握通过实验观察来帮助认识流动机理这一重要的科研方法；2、认识涡轮叶栅内复杂的非定常流动现象。
4.2实验内容1、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下中间叶高通道内的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶栅压力面、吸力面附近以及通道中部的流动特点；2、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下中间叶高叶片尾迹的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶片尾迹的流动特点；3、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下涡轮端壁区二次流的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶栅端壁区前缘马蹄涡、通道涡、端壁附面层、叶背附面层、角区流动等以及它们相互作用、相互影响的非定常特点；4、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下涡轮端壁泄漏流的非定常流场，认识涡轮叶栅存在叶尖径向间隙后不同攻角下叶栅端壁泄漏流、泄漏涡、前缘马蹄涡、通道涡、端壁附面层、叶背附面层、角区流动等以及它们相互作用、相互影响的非定常特点，帮助理解涡轮内的流动现象。
4.3氢气泡法流场显示方法氢气泡流动显示技术是近几十年发展起来的流动显示技术，跟随性好、分辨率高，既可作定性观察又能作定量测量，适用于湍流、旋涡等非定常流动和紊流脉动的研究。
氢气泡法应用水的电解原理，在水中通上电流使其电解，在阴阳极分别产生氢气泡和氧气泡，由于阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，产生的氢气泡数量多, 氢气泡的体积可以比氧气泡小得多，所以利用氢气泡作为示踪粒子来显示流场。
涡轮叶栅叶顶间隙泄漏流动实验研究刘盼年;刘艳;姜沃函;陆华伟【摘要】针对一种高负荷涡轮叶栅，利用低速矩形叶栅风洞实验研究叶顶间隙泄漏流动．研究了不同叶顶间隙和不同来流冲角情况下，涡轮叶栅的流场结构和气动性能．研究工况包括无间隙，0．5％、1．0％、1．5％叶高间隙和±10°、±5°、0°冲角．通过五孔探针获得矩形叶栅出口截面上总压、气流角以及速度分布；通过叶片表面开设的静压孔，获得叶片中部以及靠近叶顶截面的叶片表面静压分布．实验结果表明：叶顶间隙的存在增强了叶栅顶部的二次流动，恶化了上半叶展的流动状况，涡系结构发生了改变．随着叶顶间隙的增大，叶栅总压损失增加，气流偏转不足/过偏现象加剧；随着冲角的增大叶栅总压损失增加．【期刊名称】《大连理工大学学报》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】8页(P803-810)【关键词】涡轮叶栅;间隙泄漏流动;叶顶间隙;冲角;气动特性【作者】刘盼年;刘艳;姜沃函;陆华伟【作者单位】大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连 116024;大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连 116024;大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024;大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 116026【正文语种】中文【中图分类】基础科学第 53 卷第 6期 2013 年 11 月大连理工大学学报Journal of Dalian Universityof Technology Vol.53,No.6Nov.2013主F世世世世唱44 动力工程非我罪事司F唱s'llf 文章编号： 1000-8608 (2013) 06-0803-08 涡轮叶栅叶顶间隙泄漏流动实验研究刘盼年 l ，刘艳骨 l ，姜沃函 l ，陆华伟 2(1.大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连 116024; 2.大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 116026) 摘要：针对一种高负荷涡轮叶栅，利用低速矩形叶栅风洞实验研究叶顶间隙泄漏流动．研究了不同叶顶间隙和不同来流冲角情况下，涡轮叶栅的流场结构和气动性能．研究工况包括无问隙， o.5% 、 1.0% 、 1.5% 叶高问隙和士 10＇、士 5' ,0。
piv技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用以piv技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用为标题涡轮叶栅是涡轮机械中重要的组成部分，其内部流场特性对整个涡轮机械的性能和效率有着重要影响。
为了更好地了解涡轮叶栅内部的流动特性，研究人员采用了一种高精度的流场试验技术——PIV （粒子图像测速）技术。
本文将详细介绍PIV技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用。
我们需要了解PIV技术的基本原理。
PIV是一种非接触式的流场测量技术，通过在流场中加入微小的颗粒示踪物，并使用激光照射流场，然后通过高速摄像机记录颗粒在不同时间间隔内的运动轨迹。
通过对这些轨迹进行处理和分析，可以获得流场中的速度分布信息。
在涡轮叶栅内流场试验中，PIV技术可以提供以下关键信息：1. 速度分布：通过PIV技术可以获取涡轮叶栅内不同位置的速度分布情况。
这对于了解叶栅内部流动的特征、涡结构的形成、涡脱落等现象具有重要意义。
通过对速度分布的分析，可以优化叶栅的设计，提高流动效率。
2. 湍流特性：在涡轮叶栅内部，湍流的存在对流动的稳定性和能量损失有着重要影响。
PIV技术可以提供湍流的统计特性，如涡量、湍流强度等参数。
这些参数可以用来评估叶栅的湍流控制效果，优化叶栅的结构和布置。
3. 二次流效应：在涡轮叶栅内部，由于涡结构的存在，会产生二次流效应。
PIV技术可以提供二次流的分布情况，如二次流速度、二次流方向等。
这些信息对于了解叶栅内部的流动特性和二次流对叶栅性能的影响具有重要意义。
通过对PIV技术的应用，研究人员可以更全面地了解涡轮叶栅内部的流场特性，为叶栅的设计和优化提供参考。
同时，PIV技术还可以与数值模拟方法相结合，进行流场数据的验证和修正，提高模拟结果的准确性。
然而，PIV技术在涡轮叶栅内流场试验中也存在一些挑战和限制。
首先，由于涡轮叶栅内的流动速度较高，需要使用高速摄像机和快速激光脉冲来捕捉流场中颗粒的运动轨迹。
其次，颗粒示踪物的选取和分布对测量结果有着重要影响。
超跨声涡轮扇形叶栅试验流场周期性设计唐国庆;黄康才;薛伟鹏【摘要】在叶片数较少的超跨声涡轮扇形叶栅试验中,由于出口导流板角度、长度等因素造成的激波反射和堵塞作用,不能真实模拟发动机叶片工作时的出口条件,叶栅通道流场无周期性,试验结果无法反应叶片的真实工作状态.针对此类问题,对超跨声涡轮扇形叶栅试验进行了数值模拟分析,并提出了解决方案.通过对超跨声涡轮扇形叶栅试验件出口导流板进行优化,改善了超跨声涡轮扇形叶栅试验的流场周期性,进一步提高了超跨声涡轮扇形叶栅试验的准确性.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2018(031)003【总页数】6页(P27-31,13)【关键词】航空发动机;超跨声涡轮;扇形叶栅;试验;周期性;堵塞【作者】唐国庆;黄康才;薛伟鹏【作者单位】中国航发四川燃气涡轮研究院,成都610500;中国航发四川燃气涡轮研究院,成都610500;中国航发四川燃气涡轮研究院,成都610500【正文语种】中文【中图分类】V231.31 引言随着飞机发动机推重比和单位推力的逐渐提高，迫使其采用大膨胀比、高效率、大焓降的高温超跨声速涡轮与之匹配，由此带来的二次流损失、激波损失以及与涡轮冷却有关的损失显著增加，使得涡轮设计更加复杂。
为验证设计方法和设计结果，需要对叶栅流动进行系统的试验研究。
平面叶栅试验可以方便、经济、快速地研究超跨声速叶栅中的激波的强度、形状和位置，激波与附面层的相互作用，叶片尾迹内的压力、方向分布等基本流动现象[1-2]，但受二维流动的限制，无法验证叶轮机内复杂的三维特性。
环形叶栅试验可以得到三维流动结构、局部和总的损失、流通能力及二次流等方面的大量数据，但其具有能源消耗大、加工费时、测试困难等不利因素。
如果在由7～10片叶片构成的扇形叶栅上进行叶栅气动性能研究，只要能保证叶栅后的径向压力梯度和通道内的周期性，则不存在上述问题，可方便快捷地进行详尽的流动试验研究。
成绩
北京航空航天大学
叶轮机械原理实验报告
学院能源与动力工程学院
专业方向热能与动力工程
班级120421
学号
学生姓名
指导教师
实验四涡轮叶栅流场显示实验
4.1实验目的
1、熟悉流动显示的实验方法，掌握通过实验观察来帮助认识流动机理这一重要的科研方法；
2、认识涡轮叶栅内复杂的非定常流动现象。
4.2实验内容
1、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下中间叶高通道内的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶栅压力面、吸力面附近以及通道中部的流动特点；
2、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下中间叶高叶片尾迹的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶片尾迹的流动特点；
3、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下涡轮端壁区二次流的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶栅端壁区前缘马蹄涡、通道涡、端壁附面层、叶背附面层、角区流动等以及它们相互作用、相互影响的非定常特点；
4、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下涡轮端壁泄漏流的非定常流场，认识涡轮叶栅存在叶尖径向间隙后不同攻角下叶栅端壁泄漏流、泄漏涡、前缘马蹄涡、通道涡、端壁附面层、叶背附面层、角区流动等以及它们相互作用、相互影响的非定常特点，帮助理解涡轮内的流动现象。
4.3氢气泡法流场显示方法
氢气泡流动显示技术是近几十年发展起来的流动显示技术，跟随性好、分辨率高，既可作定性观察又能作定量测量，适用于湍流、旋涡等非定常流动和紊流脉动的研究。
氢气泡法应用水的电解原理，在水中通上电流使其电解，在阴阳极分别产生氢气泡和氧气泡，由于阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，产生的
氢气泡数量多, 氢气泡的体积可以比氧气泡小得多，所以利用氢气泡作为示踪粒子来显示流场。
用极细的导线作为阴极布置在被观察流场的上游，阳极则可以为任意形状置于下游被观察流场之后的水中。
由此可通过产生的氢气泡来显示流场内的流动情况。
阴极导线一般采用铂丝、钨丝、铜丝或不锈钢丝制作，为了避免对流场造成过大的影响，并使氢气泡尽可能小，其直径多为0.1～0.02mm，工作电压为10～100V，产生的氢气泡直径约为金属丝直径的一半。
氢气泡随水流运动，如果用光源照亮被观测截面，则氢气泡呈现白色，便可以观察到水流中氢气泡的绕流情况，并可用于照相记录。
图4－1是在水槽中利用氢气泡法显示的涡轮平面叶栅在25︒攻角下距端壁2％叶高的非定常流场。
可以较清楚地观测到，前缘马蹄涡存在多涡结构，马蹄涡在压力面和吸力面的两个分支在叶栅通道端区发生相互干扰，压力面分支的涡脚可以作用在端区吸力面的后部，发生涡－附面层干扰，叶栅通道内的端区流动呈现复杂的非定常性。
图4－1 涡轮平面叶栅25︒攻角下距端壁2％叶高的非定常流场
若将阴极金属丝垂直布置于来流方向，并加上周期性脉冲电压，沿金属丝便周期性产生一排排氢气泡，其间隔宽度由脉冲间隔决定，而氢气泡线的宽度则由脉冲宽度决定，这就是所谓的氢气泡时间线法。
它可以方便地显示局部速度剖面或边界层的速度型，可以作为定量分析，也可以用来定性的研究流场的不均匀度。
本次实验是利用氢气泡法流场显示技术在水槽中显示涡轮叶栅内的复杂流动现象。
4.3实验设备
1、回流式水槽
图4.2水槽平面图
水槽为上下循环的闭式结构，全长6.8米，分为四个部分：加速段，回流段，整流段和实验段。
其中水槽上层工作段长3000mm，宽700mm，高550mm；实验段长1000mm，宽700mm，高500mm（约数，视水位而定）。
水槽以叶轮机驱动水循环，来流速度在0～0.12m/s内连续可调。
2、电机电源及调压器
电机带动叶轮机转动，叶轮转动使水槽内水流循环流动。
通过调压器调节改变电机转速，进而改变流速。
本实验所使用的直流电机采用的为北京市微电机总厂生产的SYL-50型永磁直流力矩电动机。
其最大负载为30V，最大额定电流为2.8A，最大转速为140rpm。
稳压电源：输出电压0~50V，输出电流0~5A。
调压变压器：天津电子仪器厂生产的TDGC-0.5/0.5型调压变压器：最大容量0.5KV，频率为50Hz，最大电流为2A，调压范围为0~25V。
实验采用的电机电源控制电压为15V，测得水的流速约为0.0993m/s。
3、电解电源
电解电源输出高频脉冲电压，使水电解发泡。
本实验采用天津电子仪器厂生产的XD5型超低频信号发生器作为电解电源，输出电压 0～100V，输出频率 0～。
实验时根据需要调节输出频率和电压值。
1000H
Z
4、电解电极
实验中利用铂丝或铜丝作为阴极，石墨作为阳极。
阴极布置在被观察流场的上游，阳极则置于下游被观察流场之后的水中。
5、光源
用灯光照亮被测流场中需要观察的区域，其余部分应尽量保持黑暗，以免影响观测效果。
最好采用片光源。
本实验采用便携式冷光手电两支，灯泡为25V 冷光灯泡，并分别以灯架支撑。
6、涡轮叶栅模型
涡轮叶栅模型由四片有机玻璃叶片组成，叶片弦长104mm，叶片弯角66°，相对栅距0.78，展弦比1.101。
弦长雷诺数约为11000。
7、多媒体图像系统（计算机，摄像机，图像采集卡）
利用摄像机拍摄被观测流场，记录流动图像，通过图像采集卡，进入计算机，以备后续的仔细研究。
4.4实验步骤
1、选择合适位置放置铂丝，连接信号发生器（注意电源正负极）
2、放置实验件
3、依次打开稳压电源（12－14伏）和信号发生器
4、打开光源（要同铂丝同等高度，注意保持水平），对准实验段
5、观测流动现象，进行实验
6、依次关闭稳压电源、信号发生器和光源。
4.5实验结果与分析：
观察到涡轮叶删压力面，吸力面及通道中部，尾迹区的流动特点与二次流，泄露流的相互作用，影响的特点，分析原因如下：
叶背分离：在逆区梯度下，叶背附面层分离
泄露流：叶盆静压低于叶盆静压，导致叶盆高静压气流经叶尖潜流至叶背，产生泄露流
通道涡：叶盆高静压气流经过轮毂环壁的附面层流向叶背并卷起通道涡总是成对出现
尾迹及尾迹回流区：上下小面附面层在后续汇合而产生尾迹，在后续汇合处叶盆附面层产生一个低压区，气流通过压力梯度卷回此低压区，从而产生尾迹回流区。
4.6.思考题
(1)不同攻角下涡轮叶栅压力面、吸力面附近以及通道中部的流动有何特点？相
应的叶栅性能有何特点？
攻角从零增加是，叶栅压力面静压升高，吸力面逐渐发生分离，通道中部通道涡先制在分离区之外到压力面之间，产生分离叶栅，损失加大，气流转角变小。
性能变差。
(2)不同攻角下涡轮叶栅尾迹流动有何特点？
攻角从零增加是，尾迹会随着分离的产生尾迹区加大，对主流区气流影响加大，增加掺混损失
(3)不同攻角下涡轮叶栅前缘马蹄涡的流动有何特点？对叶栅流动损失有何影响？
当攻角从零增加是，叶栅前缘马蹄涡逐渐覆盖整个通道，增大流动损失。
