REVIEW OF PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY MEASUREMENT TECHNOLOGY FOR THE COMPLEX FLOW FIELD OF COMPRESSORS
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摘要: 开展压气机复杂流场试验测量研究, 对于深入理解压气机内部复杂流动机理、优化设计方案以及提升压气机性能具有重要的理论和实践意义. 粒子图像测速技术(PIV)作为一种瞬态流场速度测量技术, 相较于传统流体力学测速技术, 能够实现空间流场的非接触式全场定量测量, 因此在最希望避免接触干扰的流体机械流场实验研究领域中具有广泛的应用和发展前景. 本文以压气机内流的非接触定量测量为背景, 按2D平面PIV到2D-3C体视PIV, 再到3D-3C 层析PIV和光场PIV的顺序, 分别介绍了各类PIV技术的基本原理, 随后综述了各类PIV技术在压气机内流测量中的国内外研究应用现状, 重点讨论了近年来这些技术在压气机流场测量中的实际应用案例, 进而分析了各类PIV技术在压气机流场测量中的独有优势、技术限制及发展前景. 最后, 本文总结了PIV技术在压气机内流测量领域的贡献, 并针对当前面临的技术挑战提出了未来的发展方向. 本研究旨在为PIV技术在压气机内流场测量中的应用提供理论支持, 进一步探讨其在流动机制分析中的发展潜力, 并为相关领域技术的实验方法改进提供参考.Abstract: The investigation of complex flow field measurements within compressors is of paramount theoretical and practical significance, contributing to a deeper understanding of the internal flow mechanisms, facilitating the optimization of design strategies, and enhancing the overall performance of compressors. Particle image velocimetry (PIV), as a transient flow field velocity measurement technique, presents notable advantages over traditional fluid mechanics measurement methods. It enables non-contact, full-field, and quantitative measurement of spatial flow fields, making it particularly suitable for experimental studies where minimizing contact interference is essential. By providing high-resolution velocity data without perturbing the flow, PIV offers significant potential for widespread application in fluid machinery research, especially for the measurement of flow fields within compressors. This paper addresses the growing need for non-contact, quantitative measurement techniques for internal flows in compressors using PIV. It begins by introducing the fundamental principles of PIV technology and reviewing its development, from 2D planar PIV to 2D-3C volumetric PIV, to 3D-3C tomographic PIV, and finally to light-field PIV. The paper then provides a comprehensive review of both domestic and international research, highlighting practical case studies and recent advancements in the application of various PIV techniques for compressor flow field measurement. Additionally, the study discusses the strengths and limitations of PIV technology and presents a thorough examination of its future prospects in internal flow measurement for compressors, identifying key research areas and opportunities for technological improvement. This research aims to provide valuable theoretical support for the application of PIV technology in compressor internal flow measurements, to explore its evolving role in flow mechanism analysis, and to offer key insights for the ongoing development and refinement of measurement technologies in fluid machinery.
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Keywords:
- compressor /
- complex flow field /
- particle image velocimetry /
- flow field measurement
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引 言
实验测量、数值模拟和理论分析是流体力学研究的3种基本方法. 长期以来, 实验测量一直是流体力学最直观可靠的研究手段, 数值模拟和理论分析的结果也都需实验结果验证. 在三维空间内实现高空间和时间分辨率的流场三维速度场精确测量, 既是深入认识流动发展与演化机理的关键, 也是实验流体力学发展的最前沿方向之一[1].
粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)[2]是自20世纪80年代出现的新型流场测量技术, 相比传统测速技术, PIV具有动态响应快、精度高以及能实现对瞬态全流场的非接触定量测量的优势, 现已成为流场测速技术中应用最广泛的测量手段. 从早期只能实现二维平面内两个速度分量(2D-2C, 2-dimensional-2-component)[1]测量的平面PIV (planar PIV)技术, 到能够测量二维平面内三维速度分量(2D-3C)的体视PIV (stereoscopic PIV, SPIV)技术[1], 直至当前实现三维空间内三维速度分量(3D-3C)测量的层析PIV (tomographic PIV, Tomo-PIV)[3]以及光场PIV (light-field particle image velocimetry, LF-PIV)[4], PIV技术经历了持续的革新与发展. 得益于此, 流场测速技术已达到前所未有的高度, 在测量精度、视野范围和时空分辨率等方面都取得了长足进步.
压气机内流极其复杂, 包括角区附面层交汇、端区横向二次流动、来流扭曲以及径向间隙泄漏、激波干扰等复杂流动现象和结构[5]. 这些复杂的流动往往会增加流动损失, 从而对压气机的性能产生不利影响. 因此, 准确获取压气机内流的定量信息一直是压气机研究者的追求目标, 这对揭示压气机内流复杂流动机理, 阐明相关损失机制, 进而获得提升压气机性能的方案和途径具有至关重要的意义.
近年来, 随着PIV技术的不断发展, 其在压气机内流领域的应用取得了重要进展. PIV技术凭借非接触式、高分辨率的全场测量能力, 为解析压气机内部复杂流动现象和特性提供了强有力的支持, 显著推动了压气机领域的技术发展和进步.
本文将依据PIV技术的复杂程度和发展历程, 依次按照平面PIV、体视PIV、层析PIV及光场PIV的顺序, 综述PIV在压气机内流测量领域应用的国内外研究进展和现状.
1. 平面PIV在压气机领域的应用
1.1 平面PIV的基本原理
平面PIV系统主要由光源, 成像系统及图像处理系统3个部分组成, 其基本原理是在流场中布撒能够良好跟随流体运动的示踪粒子, 通过追踪粒子群的运动来测量流体速度[6], 如图1所示[7]. 在使用PIV技术进行测量时, 需预先在待测流场中均匀撒播一定浓度的示踪粒子, 再利用激光设备向被测流场区域进行片光照射, 通过相机拍摄获得一定时间间隔的示踪粒子图像, 最后通过互相关算法获取图像中示踪粒子的位移, 从而得到流体的速度.
1.2 平面PIV在压气机领域的国外研究进展
平面PIV技术在压气机内流场的实验研究中应用较为广泛. Ma等[8]采用平面PIV技术测量了线性压气机叶栅平行于端壁截面的速度场, 为了解压气机角区失速机理提供了实验依据, 并建立了数据库以便校准CFD工具. Hergt等[9]对跨音速压气机叶栅两个区域同时展开PIV测量, 以研究跨音速压气机叶片表面的激波-边界层相互作用(shock boundary layer interaction, SBLI). 图2[9]展示了试验段的结构, 同时标明了PIV镜头的位置及其关注区域(ROI), 该区域用于研究激波与边界层的相互作用及激波位置. 在进气测量平面(MP 1), 测量了端壁的静压, 而出口测量平面(MP 2)则进行了尾流的三孔探头测量. 测量结果如图3[9]所示, 发现激波与叶片吸力面层流边界层干扰会产生层流分离泡, 相比于激波与湍流边界层干扰会产生更大的损失, 通过设置粗糙带以及涡流发生器诱导边界层转捩可以抑制叶片的失速损失.
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Baretter等[10]则采用平面PIV技术, 在压气机转子的不同展向位置上获取速度分布图, 重点分析了进口流速畸变对压气机整体性能的影响. 他们通过多视角PIV系统对展向压力差异进行观测, 揭示了流动畸变影响流场均匀性的内在机理, 并提出了提升流动均匀性的方法. 测量装置及区域如图4所示[10], 通过一个镜臂将激光束从激光源引导至内窥镜, 最终将激光引导至压气机内部. 在内窥镜末端, 采用柱面透镜生成激光平面. 气流通过带有水-乙二醇溶液液滴的烟雾发生器播撒. Moubogha等[11]采用平面PIV技术对装有主动流动控制系统(active flow control, AFC)的单级轴流压气机转子叶片通道的流动行为进行了实验研究, 解释了控制系统有效控制叶片失速的流动机理.
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1.3 平面PIV在压气机领域的国内研究进展
在国内, 平面PIV技术最早主要应用于压气机叶栅流场的测量, 为研究叶栅性能与流场特性之间的关系提供了重要的实验数据支持. 马昌友等[12]将平面PIV测量应用于高速平面叶栅, 揭示了叶栅性能与流场特性的密切联系, 通过数值模拟检验了PIV结果, 证明该技术在平面叶栅流场测量中的适用性, 为后续的流动控制和优化设计提供了重要的实验数据支撑. Shi等[13]以PIV为测量手段研究了压气机叶栅吸力面发生分离时尾迹的非定常特性. 孙叔贤等[14-15]利用平面PIV技术, 在低速叶栅风洞中详细测量了叶身端壁融合(blended blade and endwall, BBEW)与涡流发生器(vortex generator, VG)设计对角区分离流动的控制效果. 测量方案如图5所示[15], 通过装有组合透镜的导光臂, 双脉冲激光器发出的激光在指定展高截面以片光形式打出, 为了在能清晰观察到角区分离现象的同时保证图像质量, 测量截面被设在两倍VG高度的6%叶高处, 图5右下角小图展示了片光布置位置[15]. CCD相机通过测量窗口垂直拍摄流场画面, 实验中利用同步器与激光器同步运行. 粒子发生器安装在风洞上游, 并可持续喷雾以保证足够的粒子浓度与均匀性. 图6展示了PIV测量获得的时均和瞬时涡量分布云图[15], 结果分析得出, 通过在分离区上游合理安装VG, 能使其产生的尾迹涡有效干扰到分离区从而达到抑制分离区的目的.
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除了在压气机叶栅流场测量中的应用, 国内研究者还将平面PIV技术应用于压气机级环境下的流场测量, 用以探索和分析压气机内的复杂流动现象. 这些研究不仅深化了对压气机气动特性的理解, 还为进一步优化压气机设计提供了数据支撑. 王同庆等[16]最早在国内开展了跨音速压气机流场内二维瞬态速度场分布的平面PIV测量研究, 测得的空间激波结构与叶片表面静压分布吻合, 取得了较为理想的结果, 但当时使用的通用PIV测量系统存在无法锁相测量、测量精度低及数据后处理能力不足的局限性. 李茂义等[17]采用平面PIV技术测量了畸变进气条件下低速单级压气机转子叶片通道内的流场结构, 进一步丰富了对单级压气机气动特性的理解. 薛志亮[18]开展了叶顶间隙流场可视化测量试验, 在单级轴流压气机上搭建平面PIV 叶顶间隙流场测量系统, 该系统主要包括双脉冲激光器、潜望式片光源探针、跨帧相机、示踪粒子、同步控制模块和数据采集模块. 片光源探针通过机匣上的安装座伸入静叶间流道, 片光从下游照射到测量流场区域, 且相机视场对准动叶. 试验中, 探针的伸入距离和角度经过精确调整, 使得片光正好位于叶顶间隙的中心区域, 如图7[18]所示. 试验示踪粒子采用超声雾化水雾, 在测量区域上游加载. 该工作为设计合理的叶顶间隙流动控制形式提供了数据支撑. 测量系统的设计方案亦可用于其他旋转机械叶顶间隙流测量,为该领域狭窄复杂流道的可视化测量提供了一种可行的手段.
随着研究的深入, 针对多级压气机的平面PIV技术也逐渐得到发展与应用. 王志强等[19]发展了适用于多级轴流压气机内部全通道流场测量的平面PIV测量技术, 设计了专用光学潜望镜和锁相触发装置, 以减少光学畸变和不均匀照明对测量结果的影响, 并采用了改进的交叉相关算法和多帧处理技术, 显著优化了PIV测量结果, 标志着PIV在复杂流场测量中的重要进展.
值得一提的是, Zou等[20-21]利用PIV技术在多级压气机流场领域开展的卓有成效的工作, 代表了国内平面PIV测量在内流应用方面最新的研究成果. 研究通过近壁PIV技术, 对两级压气机第二级转子的分离边界层进行了高分辨率测量和分析, 测量结果如图8所示[20]. 通过20个相位的PIV数据, 准确捕捉了尾迹与分离边界层相互作用的动态特性, 首次揭示了多级压气机中尾迹对分离边界层的影响机制和空间分布规律. 研究发现, 尾迹本身会增厚分离边界层, 但湍流点后的寂静区显著抑制了分离现象, 延迟了分离位置并减弱了强度. 这一发现为压气机设计优化提供了重要的理论依据, 可有效提升其气动性能, 降低损失并提高效率, 同时为后续研究提供了先进的技术与理论支持.
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1.4 平面PIV在压气机领域的应用总结
由以上研究进展可以看出, 平面PIV技术作为一种高分辨率的三维流场测量手段, 已在压气机复杂流场的测量和分析中得到广泛应用. 近年来, 国外平面PIV技术在压气机研究中取得显著进展, 覆盖角区分离、跨音速激波相互作用及主动流动控制等领域, 为流动机理分析、CFD校准和性能优化提供了重要实验依据与技术支持. 相较之下, 国内在平面PIV技术的应用上起步稍晚, 经历了从简单叶栅流场到单级、再到多级复杂流动环境的逐步深入. 在早期, 国内的研究主要聚焦于压气机叶栅流场测量, 对叶栅环境的主要流动结构及气动性能的影响进行了研究. 随着更先进测量系统的发展, 平面PIV技术逐渐应用于更复杂的单级压气机中, 其实验能捕捉到转子叶片在旋转中产生的非定常流动特性, 加深了对非定常流动的理解, 并使研究结果更贴近实际流动环境. 在多级压气机领域, 研究进一步聚焦于级间流动相互作用, 揭示了尾迹与边界层的影响机制. 这一发展路径反映了研究从局部到整体、从静态到动态及从性能表征到物理机制解析的递进过程. 作为最早被应用于压气机领域的PIV技术, 平面PIV具有时空分辨率高、测量系统设置简便和数据处理简单等显著优点. 在以往的流场测量中, 常采用传统的探针技术, 这类方法在测量精度和空间分辨率上存在明显限制, 且往往难以捕捉到压气机内快速变化、非定常的流动特性. 而平面PIV技术则能够凭借其高时空分辨率, 准确捕捉到压气机内部流场中的复杂现象, 包括湍流、激波-边界层相互作用、分离流动和尾迹效应等. 通过对流场的瞬时成像, 平面PIV不仅提供了更细致的速度场和涡量分布数据, 还能够揭示流动的动态特性, 如流动畸变对压气机整体性能的影响, 及其与气动特性之间的关系. 然而, 平面PIV技术仅能提供二维流场数据, 限制了其在复杂流场中的应用, 尤其在压气机内流中, 其流动通常呈现出显著的三维性, 单一平面内的流动信息难以满足对三维流动结构和机理深入认识的需求. 因此, 针对三维流场测量技术的研究应运而生.
目前平面PIV技术已经高度成熟, 广泛应用于压气机复杂流场测量. 未来, 平面PIV技术将在非定常流动、多级压气机内部流场测量以及主动流动控制研究中发挥更大作用. 特别是通过优化测量方案和提升精度与实时性, 为流动控制策略验证、压气机性能优化和数值方法校准提供更加全面和可靠的数据支持.
2. 体视PIV (SPIV)在压气机领域的应用
2.1 体视PIV的基本原理
体视PIV技术是一种利用视差原理的流场测量技术, 能够获取二维测量平面上的三维速度场. 该技术的基本流程如图9[21]所示, 主要步骤包括: 首先, 利用两台相机从不同的视角同步拍摄同一片光平面内的示踪粒子; 接着, 通过投影重构算法对相机斜视引起的畸变进行修正, 并通过互相关算法得到图像中的粒子位移; 最后, 根据图像像素与物理空间位置的映射关系, 利用体视重构算法获取真实的三维速度场, 从而实现无干扰全场测量三维瞬态流场[21]. 体视PIV技术克服了平面PIV技术无法解析垂直于测量平面的速度分量的局限性, 并且能够减小平面内速度分量受透视误差而产生的偏差, 已在压气机领域得到广泛应用.
2.2 体视PIV在压气机领域的国外研究进展
近年来, 体视PIV技术在压气机流场测量中的应用取得了显著进展. 国外的研究团队在这一领域的研究推动了体视PIV技术的不断优化创新, 使得在捕捉复杂旋涡结构和进行高分辨率测量方面获得了突破. Voges等[22]最早通过在跨音速压气机转子叶尖间隙内的流场测量, 展示了体视PIV在极狭窄区域内的高质量数据采集能力. 为得到平面外的第3个速度分量, Voges等[22]设计了如图10所示的相机布置, 相机1垂直片光平面拍摄, 而相机3通过一块反射镜拍摄流场, 从而使相机2与相机3的实际拍摄角度关于相机1对称. 图11展示了他们的测量结果[22], 他们的改进方案显著提高了速度场测量的精度, 使得跨音速条件下叶尖泄漏涡的细节特征得以清晰呈现, 揭示了在进行体视PIV实验时相机的合理布置, 即两台关于测量区域片光平面成对称的相机组合. 此外, Hah等[23]将体视PIV应用于对1.5级轴流压气机转子的叶尖间隙流动测量中, 采用了折射率匹配技术, 使压气机叶片和机匣完全光学透明. 这一技术的引入解决了传统测试中视线遮挡的问题, 实现了对叶片通道内部流动的可视化测量, 特别是对顶部间隙区域非定常流动的直接观测. 体视PIV测量结果与LES模拟结果对比如图12所示[23]. 他们的研究首次从实验角度直观地揭示了叶尖泄漏涡的复杂性, 不仅发现该区域存在多重交错旋涡结构, 还展示了其不稳定性与工况变化之间的关系, 为压气机内部旋涡机制的解析提供了新视角. Tan等[24]在此基础上, 通过体视PIV测量与大涡模拟相结合的方法, 在同一个实验台上对压气机转子通道内叶顶泄漏涡的发展过程进行了进一步研究, 成功建立了压气机流场的综合数据库, 为复杂流场的细致分析奠定了基础.
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在复杂流动特性的研究中, 体视PIV技术展现了对复杂流动现象观测和分析的独特优势. Zambonini等[25]利用时间解析的体视PIV系统, 首次观测到了叶栅角区的间歇性分离现象, 揭示出角区分离的双峰特性. 该研究通过高频高速相机与激光系统提升时间分辨率, 采用精细的光片厚度和优化后的分析窗口提高空间分辨率, 并引入多次迭代计算和高斯窗口改进后处理算法, 在测量精度、数据质量控制和统计可靠性上取得显著进展, 大幅提升了体视PIV技术对复杂流动的捕捉能力, 展示了其在不稳定流场捕捉中的显著潜力.
Brandstetter等[26]则通过体视PIV首次在跨声速压气机中测量了导致短尺度失速起始相关的瞬态流动结构, 运用局部时频分析展现了异步叶片振动的失速触发机制, 为失速预测提供了技术支持. Saraswat等[27]使用体视PIV技术, 在1.5级轴流压气机中利用高质量成像系统与相位匹配技术, 系统分析了跨叶片排的流动现象, 深入探讨了叶片尾迹的下游效应, 验证了不同工况对流场结构的影响.
2.3 体视PIV在压气机领域的国内研究进展
随着体视PIV技术的不断发展, 国内研究者逐渐引入并应用国外的先进设备, 推动了体视PIV技术在国内的发展. 刘宝杰等[28]率先使用美国TSI公司提供的体视PIV系统, 在低速大尺寸轴流压气机试验台上进行流场测量, 研究了转子叶尖间隙和角涡的形成. 该研究通过体视PIV系统展示了该技术在精细测量湍流小尺度结构方面的优势, 显著提高了流场测量的精度, 并为后续的精细流场分析奠定了技术基础. 之后, 张志博等[29]采用相同的测试系统和试验台, 进一步对轴流压气机进口导叶、动叶和静叶进行近失速状态下的湍流度测量, 并分析了测量精度. 实验测量方案如图13所示[29], 测量截面布置近似垂直于转子叶尖方向, 为了保证测量结果的空间分辨率, 测量平面只能覆盖大约半个叶片通道, 因此在测量过程中, 吸力面和压力面的流场分开测量. 该研究推动了体视PIV技术在压气机叶片流场测量中的应用, 特别是在极限工况下对流场湍流特性进行精确评估.
随着对三维流场测量需求的增加, 体视PIV技术逐步向更复杂的三维流场应用扩展. Ma等[30]采用德国LaVision公司提供的体视PIV系统, 研究了非均匀叶顶几何对叶片通道流场的影响. 该研究表明, 体视PIV技术能够精确捕捉流场中复杂的几何变化, 推动了高精度三维流场测量的发展, 提供了叶片设计的实验依据.
万钎君等[31]利用体视PIV系统对跨声速风扇转子的流场进行了更加复杂的测试与分析, 进一步扩展了体视PIV技术在超高动态范围流场中的应用. 测量方案如图14所示[31]. 该测试系统由脉冲激光器、支架、光学透镜组、两台 CCD 相机、高精度时序控制器和主控计算机组成. 脉冲激光器产生脉冲光束, 透镜组将光束引入试验件并转换为片光源. 两台CCD相机采用立体摄影布局, 安装在竖直支架上避免遮挡. 主控计算机负责图像采集、数据处理和时序控制. 周向定位采用窗口触发模式, 计算机根据外触发信号调整激光和相机的同步工作. 试验件的机匣经过改造, 激光通过一组透镜和内窥镜引入, 照射测量截面. 图15展示了
15000 r/min下转子叶片流道的三维速度场测量结果[31]. 结果显示, 气流速度沿流道逐渐增大, 流动方向发生显著改变, 反映了叶片的加速与导流作用.2.4 体视PIV在压气机领域的应用总结
体视PIV技术凭借其能够获取三维瞬态速度场的能力和高空间分辨率, 已被广泛应用于压气机复杂流场的测量与分析. 特别是在高分辨率条件下捕捉狭窄区域内的旋涡结构以及解析瞬态流动行为方面, 体视PIV技术展现出了显著优势并已取得重要进展.
整体而言, 体视PIV在压气机内流研究中的最大优势在于其能够获取三维速度分量. 压气机流场内部的复杂旋涡结构具有高度三维性、有旋性与非定常性, 相较于传统的平面PIV, 体视PIV在捕捉此类流场结构方面具有明显优势. 体视PIV通过双相机立体测量, 将二维速度场扩展为三维, 使得流场的三维瞬态特性和细微结构能够更清晰地展现, 在压气机叶尖间隙区域和高湍流度流场中, 体视PIV的三维解析能力具有不可替代的优势. 另外, 该技术在精细测量湍流小尺度结构方面的能力, 显著提高了流场测量的精度, 并为后续的精细流场分析奠定了技术基础.
然而, 体视PIV也存在一些技术限制. 在实际应用中, 体视PIV的第三维分量重构会受到不同方向观测速度矢量的透视失真影响, 其精度要低于平面内的二维分量. 而为了获取三维速度场信息, 体视PIV需要至少两台摄像机同时拍摄, 且需要精确校准. 在压气机流场的狭小空间中, 光源条件、视场遮挡及镜头畸变等因素都会对测量精度产生影响.
在提升体视PIV技术应用的过程中, 需进一步增强其在压气机复杂流场中对三维速度分量的精确重构能力. 通过优化透视校正算法与数据处理流程, 结合先进的图像处理技术, 可以有效提高测量的空间分辨率与时间分辨率. 这将推动体视PIV技术在压气机研究中的更广泛应用, 尤其是在叶尖间隙流动、旋涡演化及高湍流区域等流动现象的研究中展现更大价值.
3. 层析PIV (Tomo-PIV)在压气机领域的应用
3.1 层析PIV的基本原理
层析PIV[3]是一种基于PIV技术, 并结合医学计算机断层扫描(computed tomography, CT)技术发展的三维流场测量方法. 该技术能够实现空间流场的全场定量测量. 具体过程如图16[3]: 首先, 在待测流场区域中释放一定浓度的示踪粒子; 随后, 利用体积光照射示踪粒子, 并通过多个相机同步记录粒子运动图像. 最后, 采用乘法代数重构算法(multiplicative algebraic reconstruction technique, MART)重构示踪粒子的空间分布, 进而应用三维互相关算法计算获得三维速度场.
3.2 层析PIV在压气机领域的国外研究进展
近年来, 学者们通过大量实验与理论探索, 不断提升层析PIV在复杂流场测量中的准确性和适用性, 显著推动了压气机流场测量技术研究进展.
在此过程中, Scarano[32]的综述性研究巩固了层析PIV在流体测量领域的地位, 并对该技术的原理、实践以及局限性进行了深入探讨. 他指出, 层析PIV技术通过多角度投影和重建算法, 可以有效地在三维空间内重构流场, 而这一技术突破使得流体力学的实验研究不再局限于二维流场信息的获取. 此外, Scarano[32]在文中详细阐述了层析PIV的硬件配置、数据处理流程及误差来源, 并提出了提高测量精度的多种优化策略, 包括光学系统的配置、标定误差的校正和先进的数据处理算法. 这些改进为研究人员在处理复杂的湍流流场提供了技术支持, 为层析PIV的进一步应用奠定了理论基础.
紧接着, Klinner等[33]最早在他们的研究中使用4台相机的层析PIV系统, 成功获取了压气机叶栅中高负荷角区的三维流场信息, 结果显示叶栅中的二次流结构主要由位于叶根和吸力面附近的通道涡控制. 其测量设备布置如图17[33]所示, 通过相机支架布置4台双帧PIV相机, 以确保从不同角度观察到测量区域. 图18展示了PIV测量区域, 实验中布置了3种测量区域, 以覆盖整个通道涡旋区域. 光学探针位于压气机级叶片尾缘下游450 mm处, 激光光束通过16 mm直径的探针进入风洞, 并通过90°反射镜导入光片照射测量区域. 该布置确保了精确捕捉到涡旋区域的三维流场及其流动分离特性. 他们的研究表明, 层析PIV技术具有极高的空间分辨率和精度, 可以有效捕捉复杂的流动结构和角区二次流. Klinner等[33]的研究为层析PIV在高负荷压气机中的应用提供了基础, 证明了该技术在揭示复杂湍流结构方面的显著优势. 此外, 他们的成果也显示出层析PIV可以精确捕捉压气机叶片吸力面角区的二次流结构, 这对于进一步优化叶片设计、提高压气机的效率具有重要意义.
在此研究基础上, 同一研究团队的Hergt等[34]进一步结合层析PIV和传统的体视PIV技术, 对高负荷压气机叶片端区的流动结构进行了深入探讨. 他们的研究旨在评估数值模拟在捕捉复杂流动结构方面的能力, 并通过实验验证压气机中的角区二次流特征, 结果如图19所示[34]. 研究表明, 层析PIV能够获取高分辨率的三维速度分布, 为捕捉端区湍流和流动分离提供了新的技术支持. Hergt等的研究凸显了层析PIV在验证计算流体动力学(CFD)模拟方面的重要性, 为压气机设计和优化提供了关键的实验数据.
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3.3 层析PIV在压气机领域的国内研究进展
目前, 国内鲜有将层析PIV技术应用于压气机流场等内流领域, 但该技术在外流领域已取得显著进展.
北京航空航天大学的王洪平等[35]进行了开创性的工作. 基于自主研发的层析PIV系统, 他们在有机玻璃水箱内对低速合成射流进行了实验研究, 首次捕捉到了三维涡环结构的时空演化过程. 这一成果极大地增强了国内学术界对层析PIV技术的兴趣, 进一步推动了该技术的应用研究和发展.
值得注意的是, 王中一等[36]在前序研究基础上对基于PIV的压力场重构技术进行了研究, 探索了层析PIV技术在压力场重构中的应用潜力. 该研究提出了从速度场出发, 通过解Navier-Stokes方程来推导流场的压力分布和加速度信息. 该方法尤其适用于解决三维压力场重构中的计算精度和效率问题, 为层析PIV技术的进一步发展提供了理论支持和技术参考.
此外, 张家宝等[37]于2017年提出的单相机层析PIV技术在成像方式上引入了创新. 依据昆虫复眼立体成像的原理, 通过在相机与测量体之间添加四影镜, 该系统可以仅用单台相机捕捉到不同视角的公共区域, 从而模拟出多台相机的效果, 将传统层析PIV系统的相机数量减少为1个, 为层析PIV在诸如压气机等受限区域三维流场测量提供了一种新的解决方案, 其测量方案如图20所示[37].
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3.4 层析PIV在压气机领域的应用总结
综上所述, 层析PIV技术在压气机内流测量中展现出显著优势, 已成为当前复杂流场研究的有效工具. 国际上, 多个研究团队成功将层析PIV应用于压气机内流测量, 并在技术原理、硬件配置及数据处理算法等方面取得了较大进展. 相比之下, 当前国内研究多集中在低速、实验环境相对简单的外流场测量, 而在压气机复杂流动环境中, 层析PIV的应用尚不成熟.
相比于平面PIV和体视PIV, 层析PIV的最大优势在于能够提供完整的三维速度场信息, 同时测量结果具有较高的时空分辨率, 为压气机内流复杂三维流动结构的捕捉以及流动特性分析提供了高精度的实验数据支撑.
然而, 层析PIV的技术固有的复杂性也给其在压气机内流的应用带来了一定的挑战. 首先, 层析PIV测量的难度较大, 测量系统通常需要至少4台摄像机协同工作, 摄像机的精确同步难度极高, 同时视场遮挡的问题也难以解决. 另外, 层析PIV对数据处理的要求也令人望而却步. 以当今的数据处理水平, 其重建需要占用大量内存和硬盘空间的高CPU核数计算机, 数据处理时间甚至要以周为单位计. 未来研究可进一步聚焦于提高Tomo-PIV系统在高动态流场测量中的适应性, 提升数据处理的精度和效率, 以及结合数值模拟方法以适应更复杂的三维流场测量需求, 从而推动Tomo-PIV技术在压气机领域中更为广泛的应用.
4. 光场PIV (LF-PIV)在压气机领域的应用
4.1 光场PIV的基本原理
随着计算机、摄像设备、光学元件等硬件技术的不断进步, 光场成像技术逐渐被引入到流场测量中, 推动了光场PIV (light-field particle image velocimetry, LF-PIV)[38]的发展. 图21展示了其工作原理, 通过体式光源照明示踪粒子, 并使用光场相机捕捉粒子的图像对. 图像对经过MART处理, 重构出粒子的三维体素分布. 为了提高重构精度, 使用校准板拍摄图像并获取相机的内参修正值, 确保粒子图像的准确重构. 在获得校准过的粒子图像对后, 使用基于快速傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)的三维归一化互相关方法, 计算两帧图像之间粒子的位移量, 并通过已知的跨帧时间得出三维速度矢量分布.
4.2 光场PIV在压气机领域的研究进展
许晟明等[38]表示采用单相机的光场PIV具备安装校准快捷、对光学窗口数量要求小的优势, 更适用于受限空间中的测量. 该实验采用光场PIV对线性叶栅流场3个不同高度截面进行测量, 线性叶栅由11片平行排列的相同叶片组成, 图22[38]为线性叶栅实验的示意图, 粒子通过高压雾化的有机溶剂生成. 图23[38]展示了10°攻角下三维流场结果, 该结果由三次不同高度的实验结果拼接而成. 其研究表明光场PIV能够捕获直列叶栅尾缘附近吸力面分离涡随攻角的变化, 证实了光场PIV技术在复杂实验工况下的可行性.
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4.3 光场PIV在压气机领域的应用总结
传统的三维PIV技术通常需要复杂的光路布置或多相机系统, 这不仅增加了实验难度和硬件成本, 还极大地限制了这些技术在光学空间受限环境下的应用. 相比之下, LF-PIV利用单相机的优势, 使得设备安装和校准更加便捷, 对光学窗口的数量要求较低, 特别适用于光学空间受限的场合, 能够测量复杂的三维流场.
在测量精度方面, LF-PIV在x-y方向的测量精度完全达到Tomo-PIV的水平, 尽管受限于CCD和微透镜阵列的分辨率, 其在z方向的精度略有差距. 但总的来说, LF-PIV的最大优势在于其简化的实验系统布局和高效的三维流场测量能力, 尤其在压气机环境中光学空间受限的情况下表现出色.
5. 结论与展望
本文综述了PIV技术在压气机复杂流场测量中的发展与应用, 重点探讨了平面PIV、体视PIV、层析PIV及光场PIV在压气机内部流动研究中的实际应用和技术进展. 表1总结了压气机流场中应用的PIV技术. PIV技术能够提供高空间分辨率的流动数据, 获取细致的流场信息, 揭示气流在压气机内部的非定常变化, 适用于复杂流动结构的深入研究. 同时, PIV技术的非侵入性特征也是其一大优势, 利用光学测量方法, 可以在不干扰流场的情况下, 精确测量内流流场. 这一点对于压气机等高性能流动设备尤为重要, 因为任何附加的测量设备都可能对流动产生不利影响. 此外, PIV能够实时捕捉瞬态流动的变化, 帮助研究人员快速分析流场的动态特性. 因而PIV技术在压气机流场测量中具有重要应用价值. 随着技术的不断发展, PIV已从二维平面测量扩展到三维空间测量, 极大提升了对三维流动结构的捕捉能力, 为复杂流动机理认识提升和压气机相关装备的性能优化提供了重要的技术支撑.
表 1 PIV技术在压气机中应用的对比Table 1. Comparison of PIV applications in compressorsPIV technique Experimental setup Advantages Limitations Representative applications planar PIV A laser sheet illuminates tracer particles in a 2D slice of the flow field; a single camera captures images, and cross-correlation calculates 2D velocity components High spatiotemporal resolution;
simple experimental setup;
relatively straightforward data processingLimited to 2D flow field data;
unable to resolve
complex 3D flowsCompressor cascade flow
measurement (Ma et al.[8]);
transonic compressor shock-boundary layer interaction (Hergt et al.[9]); multistage compressor flow measurement (Wang et al.[19])stereoscopic PIV(SPIV) Two cameras capture images of the same laser-illuminated flow field from different angles, reconstructing 3D velocity components using parallax principles Obtains 3D velocity field;
reduces perspective errors;
higher measurement accuracyLimited to 3D velocity field on a single plane;
requires more equipment;
more complex data processingTransonic compressor tip clearance flow (Voges et al.[22]);
corner separation in cascades (Zambonini et al.[25]);
blade wake studies (Saraswat et al.[27])tomographic PIV (Tomo-PIV) Multiple cameras capture images of the same volume-illuminated flow field from different angles, reconstructing 3D flow field information using tomographic principles Comprehensive 3D flow field measurement;
capable of measuring complex flow structuresChallenging camera arrangement;
complex data processing;
long data processing timeComplex 3D flow field
measurement in
compressor cascades
(Klinner et al.[33])light-field PIV (LF-PIV) A single light-field camera captures images of a volume-illuminated flow field, reconstructing 3D velocity vectors using multiplicative algebraic reconstruction and fast Fourier transform Obtains 3D flow field data from a single viewpoint;
simpler experimental setup;
performs well in optically confined spacesLower measurement accuracy in the vertical direction;
limited application experience in compressor fieldsLinear cascade flow
measurement (Xu et al.[38])然而, 压气机领域的PIV测量在技术方面仍面临若干挑战. 首先, 压气机内部流动具备高动态、强三维及非定常的特点, 面对这些复杂的流场状态, 仍需从光学成像技术及数据处理方法深入探究, 从而使PIV技术获得更高的时间与空间分辨率. 其次, 压气机的叶片形状复杂, 且流动环境常常存在视场限制和光线反射等问题, 如压气机叶片扭曲对光学路径的遮挡、叶顶间隙狭小导致的光照盲区及光线反射等因素, 均对PIV测量精度提出了挑战. 同时, 流场中示踪粒子的浓度和光学透过率对测量结果有显著影响. 在低粒子浓度或者光学条件不佳的情况下, 数据质量可能会显著下降, 从而导致测量误差的增加. 因此为了保证颗粒能够良好地跟随流动, 示踪粒子的尺寸和材料的选择至关重要.
展望未来, 随着PIV技术的持续进步, 尤其是在光学成像技术和数据处理方法的优化方面, PIV技术将在压气机复杂流场研究中展现出更大的潜力. 为了突破当前的技术瓶颈, 未来的发展方向可以从以下几个方面着手: 首先, 针对视场受限的问题, 可通过多视角成像技术和先进的光学器件设计, 或采用单相机光场PIV技术, 以提升在压气机复杂几何环境中的成像能力; 其次, 针对来自弯曲边界的光线反射问题, 可以通过改进光学设备及改善后处理方法应对, 如避免光线正对弯曲边界以减少反射, 采用先进光学套件以减少反射光对成像影响; 最后, 在提高时空分辨率方面, 可以通过研发更高频率、分辨率的相机, 以及提高激光频率和改进粒子图像匹配算法, 来提升PIV测量的精度和可靠性. 通过这些技术突破, PIV将在压气机设计和优化中提供更加精准的数据支持, 推动高性能压气机的研发.
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表 1 PIV技术在压气机中应用的对比
Table 1 Comparison of PIV applications in compressors
PIV technique Experimental setup Advantages Limitations Representative applications planar PIV A laser sheet illuminates tracer particles in a 2D slice of the flow field; a single camera captures images, and cross-correlation calculates 2D velocity components High spatiotemporal resolution;
simple experimental setup;
relatively straightforward data processingLimited to 2D flow field data;
unable to resolve
complex 3D flowsCompressor cascade flow
measurement (Ma et al.[8]);
transonic compressor shock-boundary layer interaction (Hergt et al.[9]); multistage compressor flow measurement (Wang et al.[19])stereoscopic PIV(SPIV) Two cameras capture images of the same laser-illuminated flow field from different angles, reconstructing 3D velocity components using parallax principles Obtains 3D velocity field;
reduces perspective errors;
higher measurement accuracyLimited to 3D velocity field on a single plane;
requires more equipment;
more complex data processingTransonic compressor tip clearance flow (Voges et al.[22]);
corner separation in cascades (Zambonini et al.[25]);
blade wake studies (Saraswat et al.[27])tomographic PIV (Tomo-PIV) Multiple cameras capture images of the same volume-illuminated flow field from different angles, reconstructing 3D flow field information using tomographic principles Comprehensive 3D flow field measurement;
capable of measuring complex flow structuresChallenging camera arrangement;
complex data processing;
long data processing timeComplex 3D flow field
measurement in
compressor cascades
(Klinner et al.[33])light-field PIV (LF-PIV) A single light-field camera captures images of a volume-illuminated flow field, reconstructing 3D velocity vectors using multiplicative algebraic reconstruction and fast Fourier transform Obtains 3D flow field data from a single viewpoint;
simpler experimental setup;
performs well in optically confined spacesLower measurement accuracy in the vertical direction;
limited application experience in compressor fieldsLinear cascade flow
measurement (Xu et al.[38])
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