第1章 绪论
1.1 动态测试技术在叶轮机械中的应用概述
实验研究是获得叶轮机械内部流动规律的重要手段之一。虽然实验成本高、周期相对长，但实验研究对了解叶轮机械内部基本流动现象具有重要意义；另外深入细致的实验研究结果，可以为数值模拟算法提供可靠且客观的验证依据。
压气机作为航空发动机的关键部件之一，其性能是影响整机性能的关键因素。为满足航空发动机推重比/功重比不断提高的要求，对压气机而言需要更高的压比、更高的效率和更宽的稳定工作范围。近年来，压气机的级压比和负荷朝着不断提高的方向发展，其中GE90发动机10级高压压气机压比达到23，平均级压比接近1.4；德国发动机及涡轮机联盟弗里的希哈芬股份有限公司（Motorenund TurbinenUnion Friedrichshafen GmbH，MTU)已成功设计了6级跨声速高压压气机，压比达到11，平均级压比接近1.5，目前正在开展保持级数不变条件下将压比提高至20的研究；CFM国际公司[CFM国际公司的名称来源于两家母公司的商用发动机名称：GE的CF6和Snecma（斯奈克玛）的M56（其第56个项目）]在TECH56计划的支持下研制的6级高压压气机压比已突破至14.7，平均级压比超过1.56［1］。随着级压比和负荷的不断提高，压气机内部流动逆压梯度增加，三维性更强，进一步加剧了压气机内部流动的复杂性。此外由于压气机叶片排之间的相对运动以及内部流动存在失稳现象，使得流动呈现出非常强的非定常性，其中压气机的喘振和失速现象与内部流动的非定常性具有密切关系，上述现象的存在会对发动机工作造成严重危害，如发动机熄火、压气机叶片剧烈振动甚至是损坏，因此上述问题一直是学术界和工业界关注的重点。
为了弄清楚压气机内部的非定常流动，尤其是喘振和失速现象，学术界通过数值仿真和先进的测试技术开展了大量的研究工作。其中计算流体力学的发展为研究人员进行流场细节分析提供了新的技术手段，借助数值模拟可大幅缩短设计周期，显著降低研制成本和技术风险。相关研究表明，采用先进的设计仿真工具，可使发动机总试验时数减少约30%，研制经费降低幅度高达50%［2］。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Adminstration， NASA）经过调研分析认为： 到2030年雷诺平均纳维斯托克斯（Reynolds averaged NavierStokes， RANS）方法可能仍是工程中主要的分析手段，大涡模拟及其基于近壁建模的简化方法将在工程中获得大规模应用，需要在物理模型、数值格式、求解算法、网格生成等一系列方向上开展大量研究，以形成完全自动化的高效分析工具，未来10年计算流体动力学（computational fluid dynamic， CFD）的重点研究方向应为高精度数值方法和高效求解算法、与物理现实尽量一致的高保真物理模型及仿真、误差评估、多学科/部件耦合分析及多目标优化等技术［3］。虽然数值模拟技术为研究人员认识压气机内部流动以及改进设计发挥了重要作用，但是数值方法在模拟的精度方面还存在一定偏差，图11给出了某四级高负荷轴流压气机试验特性和数值计算特性对比，图12给出了某压气机在近喘点工况内部流动的试验结果与计算结果对比，可以看出数值计算与试验结果仍存在偏差，对于压气机内部流动的研究仍离不开试验测试技术。
图1-1 某高负荷压气机试验特性与数值计算特性对比［4］
图1-2 某压气机近喘点内部流场对比［5］
实验测量作为分析流动特征和验证数值计算结果的有效手段，具有不可代替的作用，目前随着热线风速仪（hotwire anemometer， HWA）、粒子图像测速仪（particle image velocimetry，PIV）、激光多普勒测速仪（laser Doppler velocimetry，LDV）等先进测试设备和手段的发展，为研究人员认识压气机内部流动提供了新的技术手段，不断加深了对压气机内部叶尖泄漏、激波与边界层干扰、失速和喘振等非定常流动现象的认识，为高性能压气机设计奠定了重要基础。
目前对压气机内部流动的动态测量主要集中在速度场和压力场的测量，速度场的测量方式主要包括激光多普勒测速仪、粒子图像测速仪、热线风速仪等，而压力场的测量通常采用压力传感器、压力探针等进行。下面就叶轮机械中用到的主要测量仪器进行简单介绍。
1.2 激光多普勒测速技术
激光多普勒测速仪是伴随着激光器的诞生而产生的一种测量技术，利用激光的多普勒效应来对流体或固体速度进行测量，广泛应用于军事、航空、航天、机械、能源等领域。它具有线性特性与非接触测量的优点，并且精度高、动态响应快。
多普勒原理基于多普勒效应，根据测速方法可分为两类。一类是通过测量散射光信号多普勒频移得到待测点速度。相互平行的入射激光束通过聚焦透镜汇交到待测点，运动粒子从垂直激光束方向通过时向四周发出反射光。由于运动粒子与探测器之间存在相对速度，使接收频率与发射频率存在一定频移，该频移与运动粒子速度大小存在一定线性关系。另一类是把分子吸收线频移与荧光辐射线强度变化相结合，通过测荧光辐射强度实现待测点速度测量。激光多普勒测速仪属于非接触式测速技术，测速系统包括激光器、分光、聚焦光路系统、信号收集和检测系统、信号处理系统。
激光多普勒测速仪主要有以下特点：
（1）激光多普勒测量仪结构紧凑、重量轻、容易安装操作、容易对光调校；
（2）非接触测量，动态响应快；
（3）分辨率高，测量范围广。
需要详细了解激光多普勒测速仪的读者，可以参阅文献［6］和［7］。
1.3 粒子图像测速技术
粒子图像测速技术是近几十年发展起来的一种新型非接触式流速测量技术，它是在流场显示技术的基础上发展而来的。流场显示是通过使流场的某些特性可视化，对流场进行直观的了解。传统的流场显示技术利用染色液、烟气和氢气泡等显示流场特性，只能用于定性的分析研究。PIV技术得益于计算机图像处理技术和光学技术的发展，它将这两种技术融为一体，突破了空间单点测量技术的局限，结合了单点测量技术和流场显示技术的优点，既具备单点测试技术的精度与分辨率，又能够获得一个平面流场的整体信息和瞬态图像，已成为当前流体力学研究中流场测量的一种重要手段。PIV技术可以记录下某一时刻整个测量平面的流体速度，从而获得所测平面的瞬时速度场、涡量场等信息。PIV技术对研究漩涡、湍流等复杂流动现象有重要意义。PIV系统主要组成部分包括光源系统、图像拍摄系统、图像处理模块、示踪粒子和系统控制及数据采集软件。对于旋转叶轮机械内部流场的测量，还包括外触发装置，图13给出了利用PIV测量系统对压气机内部流动进行测量的布置示意图［8］。
图1-3 PIV测量系统布置示意图
PIV测速原理是在所测流场中添加跟随流体运动的密度合适的示踪粒子，从激光器产生的激光束经过透镜组形成片光源照亮测试区域，利用电荷耦合器件（charge coupled device， CCD）相机通过图像拍摄系统在一定时间间隔内拍摄两幅包含粒子空间位置信息的图像。通过计算机图像处理技术，根据图像拍摄的时间间隔及两幅图像的粒子的位移，即可计算出在这段时间间隔内流场内各点的平均速度。速度的定义式可以表示为
u＝limΔt→0ΔxΔt
v＝limΔt→0ΔyΔt（1-1）
式中，u和v分别是粒子在x方向和y方向的分速度；Δt是两次拍摄的时间间隔；Δx＝x2－x1和Δy＝y2－y1分别是在时间间隔Δt内粒子在x方向和y方向的分位移。当Δt选择合适时，被测粒子在时间间隔内的位移足够小，粒子的运动轨迹接近直线，测得的粒子速度值就可以很好地逼近该处的真实速度，使测量结果具有足够的精度。图14给出了PIV测试技术原理的示意图。
图1-4 PIV测量原理示意图［8］
PIV测量系统的测速过程大致可分为三个步骤：
（1）利用光源和摄像装置，短时间内连续拍摄两幅流场的粒子图像；
（2）读取流场粒子图像，并对每幅图像进行处理分析；
（3）通过对两个时刻粒子图像进行互相关处理，得到流场速度信息，并显示速度矢量场。
1.4 动态压力测量技术
动态压力测量是指其测量的压力随着时间快速变化，因此要求传感器具备高频响特性，同时对数据采集系统和分析能力要求较高，其测量系统通常包括高频动态压力测量的传感器以及信号采集和放大调理器等。对于动态压力的测量所使用的压力传感器类型主要有压阻式压力传感器、压电式压力传感器、应变式压力传感器和谐振式压力传感器等。由于压阻式压力传感器具有体积小、灵敏度高、坚固、抗过载能力强、输出稳定性高和阻抗低等特点，使得它在叶轮机械流场测试及其他流体力学实验被广泛采用。图15给出了动态压力传感器和安装座。
图1-5 动态压力传感器和安装座［5］
下面以压阻式压力传感器为例，介绍其测量原理。压阻式压力传感器是20世纪60年代后期发展起来的一种传感器，它的核心部分是硅膜片，在膜片上采用集成电路工艺制造四个等值半导体电阻，组成一个平衡电桥，膜片既是弹性敏感元件，又是转换元件。当压力作用于膜片上时，膜片发生弯*，由于存在压阻效应，电桥四个臂的电阻值发生变化，电桥失去平衡，产生输出电压，该电压的大小与膜片所受的压力及供桥电压成正比，利用输出电压就能够确定压力值。
Brouckaert等［5］利用动态压力测量技术针对单级轴流压气机叶尖泄漏流及失速过程开展了研究，研究发现其压气机对应的是大尺度模态波失速先兆，而叶尖泄漏涡并非触发该压气机失速的原因，通过与数值计算结果对比发现，数值结果并未捕捉到角区分离现象。图16给出了机匣压力测点布置，图17给出了机匣压力测量结果，可以明显看出间隙泄漏流动的影响。
图1-6 机匣压力测点布置［5］
图1-7 机匣压力测量结果［5］
1.5 热线风速仪测量技术及发展
简单而言，热线风速仪探针是置于流场中的一根极细金属丝，并在其上通以电流加热。当流速变化时，金属丝的温度也相应变化，这种变化导致金属丝电阻值发生变化，从而产生电信号。由于在电信号与流速之间可建立一一对应的关系，因此，测量出电信号就可求得流场的流速［9］。热线风速仪的检测元件小、热惯性小、灵敏度及空间分辨率高、对流体干扰小，其作为一种测量流体流速的精密设备，在流体流场的研究中具有不可或缺的作用。
热线风速仪能够实现连续测量，信噪比高，可以测量三维流场，测量的速度范围较大，而且能够非常准确地测量微风速，其灵敏度非常高［10］。热线风速仪动态响应频率高，时间和空间分辨率高，能够耐受高温、高速环境。鉴于这些优点，如今热线风速仪已被广泛应用于各个领域。文献［11］和［12］对热线风速仪的工作原理进行了系统总结及分析。
1.5.1 热线风速仪的早期发展
热线测速技术发展至今已有百年的历史，它为流场的测量做出了巨大的贡献。经过不断的发展，热线探针已在亚声速、跨声速和低超声速流场测量中得到了广泛应用，并且
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