鐘亞飛，馬宏偉，，李金原，郭君德

（北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院1，能源與動(dòng)力工程學(xué)院2：北京102206）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)追求隱身、高性能、超機(jī)動(dòng)的目標(biāo)，需要在高速條件下完成大俯仰角、大側(cè)滑角的飛行工作。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，短型、S 型進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)以及機(jī)身邊界層、地面渦、炮彈尾氣的吸入使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口面臨各種進(jìn)氣畸變的問(wèn)題，給發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性帶來(lái)挑戰(zhàn)[1-2]。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變可分為總壓畸變[3-4]、旋流畸變[5-6]以及總溫畸變[7]3 種形式[1，8-10]，其中總壓畸變主要是由于進(jìn)氣道吸入機(jī)身邊界層以及飛機(jī)在大攻角、大側(cè)滑角下飛行時(shí)進(jìn)氣道入口氣流分離造成的[11]，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總壓分布不均勻，這種現(xiàn)象很容易誘發(fā)壓氣機(jī)失速喘振、葉片顫振斷裂等一系列問(wèn)題[12]，嚴(yán)重制約著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升以及飛機(jī)飛行包線的拓展。總壓畸變嚴(yán)重影響進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)的兼容性及穩(wěn)定性[13]，為了評(píng)估這種影響，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展大量的進(jìn)氣道試驗(yàn)[14]、發(fā)動(dòng)機(jī)部件試驗(yàn)（通常為壓氣機(jī)試驗(yàn)）以及發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)[3]，用于分析研究進(jìn)氣道性能、進(jìn)氣道/發(fā)動(dòng)機(jī)兼容性、進(jìn)氣總壓畸變對(duì)壓氣機(jī)以及整機(jī)性能的影響[15-17]。20 世紀(jì)80 年代至21 世紀(jì)初，歐美以及俄羅斯等國(guó)家根據(jù)之前的進(jìn)氣畸變?cè)囼?yàn)所獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)及規(guī)律，相繼制訂了許多關(guān)于進(jìn)氣總壓畸變?cè)囼?yàn)的規(guī)范指南，例如，美國(guó)SAE S-16 委員會(huì)公布的AIR1419[3]、AIR1420[18]、APR5687[7]等關(guān)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總壓畸變的指南文件。根據(jù)文獻(xiàn)[19]記載，英美穩(wěn)定性評(píng)定方法最大的特點(diǎn)是要求模擬目標(biāo)圖譜，對(duì)應(yīng)研制的畸變發(fā)生器較多，除了進(jìn)行常規(guī)的穩(wěn)定性評(píng)定，還要求進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)定的驗(yàn)證。而俄羅斯穩(wěn)定性評(píng)定方法不需要模擬特定的畸變圖譜，利用1 塊插板即可滿足試驗(yàn)要求，在穩(wěn)定性評(píng)定中，也不需要進(jìn)行評(píng)定后的試驗(yàn)驗(yàn)證。中國(guó)借鑒俄羅斯的評(píng)定方法，相繼制訂了GJB/Z 64-94[20]、GJB/Z 64A-2004[21]等關(guān)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總壓畸變的規(guī)范指南。上述文件對(duì)進(jìn)氣總壓畸變的研究工作具有很重要的指導(dǎo)意義。

進(jìn)氣道試驗(yàn)通常在風(fēng)洞中進(jìn)行，一般有2 種形式：一種是將進(jìn)氣道和前機(jī)身綜合做成縮比模型放在大型風(fēng)洞中吹風(fēng)，改變機(jī)身俯仰角和側(cè)滑角模擬真實(shí)進(jìn)氣道畸變環(huán)境。例如，美國(guó)的大學(xué)、空軍、海軍和國(guó)家航空航天局實(shí)驗(yàn)室針對(duì)不同型號(hào)的飛機(jī)曾開(kāi)展大量的進(jìn)氣道和前機(jī)身綜合的風(fēng)洞試驗(yàn)[14]。另一種是在小型風(fēng)洞中安裝畸變發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣畸變條件，主要用于新型畸變發(fā)生器的設(shè)計(jì)[15]、出口畸變流場(chǎng)特性的研究[22]以及測(cè)試方案的驗(yàn)證[17]等。對(duì)于壓氣機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)進(jìn)氣總壓畸變?cè)囼?yàn)，國(guó)內(nèi)外通常采用直接連接壓氣機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)技術(shù)[10，23-24]，將壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)/發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)和空氣供應(yīng)管道直接連接，通過(guò)在空氣供應(yīng)管道進(jìn)口或者內(nèi)部安裝畸變篩網(wǎng)、模擬板以及插板等來(lái)產(chǎn)生壓氣機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總壓畸變[25]。

由此可見(jiàn)，畸變發(fā)生器被大部分進(jìn)氣總壓畸變?cè)囼?yàn)所采用。但是利用畸變屏、模擬板模擬進(jìn)氣畸變時(shí)，每次變形模式改變都需要中斷測(cè)試并部分拆卸設(shè)備以更換畸變發(fā)生器。這種中斷設(shè)備的方法給測(cè)試程序增加了巨大的成本，并且畸變屏和模擬板不能復(fù)制由湍流或飛行條件變化產(chǎn)生的時(shí)變失真。為了克服上述困難，科研人員研制了一系列的瞬態(tài)畸變發(fā)生器，例如，插頭位置可變的隨機(jī)頻率畸變發(fā)生器、坡道位置可變的隨機(jī)頻率畸變發(fā)生器等[15，25-29]。

選取合適的畸變發(fā)生器位置在總壓畸變對(duì)壓氣機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性影響的研究中至關(guān)重要[32]?；儼l(fā)生器距離壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)/整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)口過(guò)遠(yuǎn)無(wú)法起到降低壓氣機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性的效果[30]；畸變發(fā)生器距離試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)口過(guò)近會(huì)導(dǎo)致測(cè)試截面不符合進(jìn)氣道出口總壓的分布規(guī)律[13]。關(guān)于畸變發(fā)生器的位置選取在國(guó)內(nèi)外研究中區(qū)別較大，國(guó)外大部分研究將畸變發(fā)生器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口上游1～2 倍發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口直徑位置[33-34]，而國(guó)內(nèi)大部分研究將畸變發(fā)生器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口/發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道氣動(dòng)界面（Aerodynamic Interface Plane，AIP）上游3 倍左右發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口直徑位置[4，21，35]。

進(jìn)氣道/發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)界面（AIP）是需要進(jìn)行總壓測(cè)試的重要截面，測(cè)得的總壓數(shù)據(jù)主要用于描述進(jìn)氣道和發(fā)動(dòng)機(jī)之間總壓恢復(fù)水平和總壓畸變程度[3]，AIP的選取在研究進(jìn)氣總壓畸變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性的影響中具有重要作用[30-31]。國(guó)內(nèi)外進(jìn)氣總壓畸變研究的指南文件中關(guān)于AIP 位置選取的建議是盡量靠近發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口[3，20]。

目前大部分試驗(yàn)采用總壓探針梳對(duì)AIP 截面的總壓進(jìn)行測(cè)試，分為穩(wěn)態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試2 部分。對(duì)于穩(wěn)態(tài)測(cè)試，需要沿周向布置多支探針梳，但是探針梳數(shù)目過(guò)多會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)造成堵塞，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能[3]，因此在AIP 上關(guān)于探針的位置和密度選擇需要對(duì)測(cè)試精度和探針引起的堵塞問(wèn)題進(jìn)行折衷考慮。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)研究[17，30-31，36]，例如，Schweikard W G 關(guān)于探針布局的研究表明，用不到40 個(gè)總壓探頭就可以獲得相當(dāng)精確的AIP 的總壓參數(shù)值[31]；黃熙君等關(guān)于探針梳布局的研究表明，對(duì)于周向畸變研究，探針梳數(shù)應(yīng)不少于6 支，每支梳上測(cè)點(diǎn)應(yīng)不少于5 個(gè)[17]。根據(jù)AIR1419 的介紹，AIP 截面周向布置8 支探針梳，每支梳上等環(huán)面中心分布5 個(gè)總壓測(cè)點(diǎn)的排列是精確測(cè)量所需最小的測(cè)點(diǎn)密度[3]。GJB/Z 64-94[20]、GJB/Z 64A-2004[21]中也公布了典型的穩(wěn)態(tài)總壓測(cè)點(diǎn)布局：周向均布8 支探針梳，每支探針梳上5 個(gè)測(cè)點(diǎn)位于等環(huán)面的質(zhì)量中心。以上文獻(xiàn)公開(kāi)的探針梳為單孔總壓梳，由于單孔總壓探針梳無(wú)法測(cè)量氣流偏轉(zhuǎn)角、俯仰角、靜壓、馬赫數(shù)等氣動(dòng)參數(shù)，面對(duì)有偏轉(zhuǎn)角、俯仰角、靜壓、馬赫數(shù)測(cè)試需求的研究任務(wù)，則需要采用多孔探針/探針梳測(cè)量AIP 的氣流參數(shù)[34，37-38]。對(duì)于動(dòng)態(tài)總壓的測(cè)量，國(guó)內(nèi)外典型測(cè)試方案相差較大，國(guó)外的動(dòng)態(tài)總壓測(cè)試方案與穩(wěn)態(tài)總壓測(cè)試方案相同，為8 梳40 測(cè)點(diǎn)，通常穩(wěn)/動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)封裝在一起[3，39]。在國(guó)內(nèi)，通常采用在0.9 倍相對(duì)半徑處，周向均布6 個(gè)動(dòng)態(tài)總壓測(cè)點(diǎn)的測(cè)試方案[13，20-21]。國(guó)內(nèi)關(guān)于動(dòng)態(tài)測(cè)試方案采集的是1 個(gè)環(huán)面的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)而不是整個(gè)測(cè)試平面的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，是否能用1 個(gè)環(huán)面上的測(cè)點(diǎn)來(lái)測(cè)取面平均紊流度，國(guó)內(nèi)江勇等[40]關(guān)于動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)的分布位置對(duì)測(cè)試精度影響的研究表明，采用僅在1 個(gè)環(huán)面上布置較少的測(cè)點(diǎn)來(lái)測(cè)取面平均紊流度誤差較大。此外，探針頭部尺寸[41-42]、探針頭部伸出支桿長(zhǎng)度[43-44]、探針頭部間距[44]、采樣率[3]以及采樣時(shí)間[45]均會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，國(guó)內(nèi)外關(guān)于上述因素對(duì)測(cè)試精度的影響也有相應(yīng)的文獻(xiàn)記載。

由于典型的探針梳測(cè)試方案分辨率較低，所以在部分研究中利用探針梳進(jìn)行AIP 穩(wěn)動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，采用更密集的測(cè)試方案[10]，但測(cè)點(diǎn)密集意味著需要增加探針梳的數(shù)量，探針梳數(shù)量增加則需要考慮支桿堵塞的影響。為了利用較少的探針梳獲得較高精度的測(cè)試結(jié)果，旋轉(zhuǎn)探針梳、旋轉(zhuǎn)畸變發(fā)生器為上述問(wèn)題提供了解決方案，并且已被國(guó)內(nèi)外許多相關(guān)研究機(jī)構(gòu)采用。隨著光學(xué)儀器的發(fā)展，粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Veloci-metry，PIV）被用于AIP 的測(cè)試[33，46-48]，例如，Nelson M 等[33]在進(jìn)氣總壓畸變的條件下，采用SPIV 測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的速度場(chǎng)；Pavlos K. Zachos等[47]采用采樣頻率為1 kHz 的高頻SPIV 系統(tǒng)測(cè)量了S 進(jìn)氣道縮比模型出口截面的穩(wěn)/動(dòng)態(tài)速度場(chǎng)。相對(duì)于典型40 點(diǎn)的探針梳測(cè)試方案，PIV 可以提高200倍以上的分辨率，但是由于PIV 只能測(cè)得AIP 的速度場(chǎng)，無(wú)法直接用于畸變指標(biāo)的計(jì)算?；诓此煞匠桃约皠?dòng)量方程可以將AIP 的速度場(chǎng)重構(gòu)出壓力場(chǎng)[49，33]，但此時(shí)必須考慮重構(gòu)誤差的影響。例如，Pavlos K.Zachos[49]利用RANS 數(shù)值模擬方法獲得了AIP 速度場(chǎng)，利用計(jì)算的速度場(chǎng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)壓力場(chǎng)的重構(gòu)，利用重構(gòu)的壓力場(chǎng)計(jì)算了畸變指標(biāo)DC（60）、CDI和RDI 等，最后將重構(gòu)的壓力場(chǎng)與數(shù)值模擬直接獲得的壓力場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，對(duì)于穩(wěn)態(tài)場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，重構(gòu)方法與數(shù)值模擬結(jié)果相比誤差在10%以內(nèi)。對(duì)于瞬態(tài)場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，畸變指標(biāo)受壓力重構(gòu)的影響較大，誤差大于10%。除了考慮壓力重構(gòu)帶來(lái)的誤差外，在PIV 測(cè)試過(guò)程中還需要考慮速度梯度較大[50]、粒子播散不均勻[33]、粒子跟隨性差[33]、圖像中粒子的密度小、圖像中粒子直徑過(guò)小[52]、光污染以及窗口拼接[53]等因素造成的誤差。

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外采用畸變發(fā)生器的地面模擬試驗(yàn)中所涉及的畸變發(fā)生器類(lèi)型和安裝位置、AIP 選取位置和總壓測(cè)試方案以及其他截面測(cè)試方案等，分析了在畸變發(fā)生器安裝和AIP 位置選取中以及測(cè)試方案設(shè)計(jì)中需要考慮的因素，可為進(jìn)氣總壓畸變模擬試驗(yàn)研究中新型畸變發(fā)生器的研制、測(cè)試方案的設(shè)計(jì)提供一些建議和啟示。

1 進(jìn)氣總壓畸變模擬試驗(yàn)

1.1 模擬試驗(yàn)

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于進(jìn)氣總壓畸變開(kāi)展了很多試驗(yàn)研究，其中通過(guò)畸變發(fā)生器對(duì)總壓畸變機(jī)理性試驗(yàn)研究一直是科研人員所關(guān)注的重點(diǎn)。此類(lèi)試驗(yàn)主要包括進(jìn)氣道試驗(yàn)、壓氣機(jī)試驗(yàn)以及整機(jī)試驗(yàn)。單獨(dú)的進(jìn)氣道試驗(yàn)主要在小型風(fēng)洞中安裝畸變發(fā)生器[15，17，22]，在風(fēng)洞出口進(jìn)行測(cè)試，用于新型畸變發(fā)生器的設(shè)計(jì)、出口畸變流場(chǎng)特性的研究以及測(cè)試方案的驗(yàn)證等，如圖1 所示。對(duì)于壓氣機(jī)/整機(jī)進(jìn)氣總壓畸變?cè)囼?yàn)，國(guó)內(nèi)外通常將供氣管道與壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)/發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)直接連接[25]，在空氣供應(yīng)管道進(jìn)口或者內(nèi)部安裝畸變篩網(wǎng)、模擬板以及插板等畸變發(fā)生器[10，34-36]，如圖2所示。在AIP 和其他截面進(jìn)行測(cè)試，研究AIP 處的總壓恢復(fù)和畸變程度以及進(jìn)氣總壓畸變對(duì)壓氣機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性的影響等。

圖1 單獨(dú)進(jìn)氣道總壓畸變?cè)囼?yàn)

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)總壓畸變?cè)囼?yàn)

1.2 進(jìn)氣總壓畸變發(fā)生器

目前畸變發(fā)生器主要分為穩(wěn)態(tài)畸變發(fā)生器和瞬態(tài)畸變發(fā)生器2 類(lèi)[25]，穩(wěn)態(tài)畸變發(fā)生器主要包括畸變篩網(wǎng)[8，25]、模擬板[54]等，如圖3、4 所示。

圖3 畸變篩網(wǎng)

在真實(shí)飛行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總壓畸變特性會(huì)變化，因此需要在地面開(kāi)展不同模式的進(jìn)氣總壓畸變?cè)囼?yàn)，每次變形模式改變都需要中斷測(cè)試并部分拆卸設(shè)備以更換畸變發(fā)生器，這種中斷設(shè)備的方法給測(cè)試程序增加了巨大的成本，并且畸變篩網(wǎng)和模擬板不能復(fù)制由湍流或飛行條件變化產(chǎn)生的瞬時(shí)畸變。為了克服上述困難，科研人員研制了一系列的瞬態(tài)畸變發(fā)生器。例如：插頭位置可變的隨機(jī)頻率畸變發(fā)生器[26]和坡道位置可變的隨機(jī)頻率畸變發(fā)生器[27]，如圖5 所示；離散頻率畸變發(fā)生器[25]和空氣射流畸變發(fā)生器[25]，如圖6、7 所示；俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所研制的瞬態(tài)總壓畸變發(fā)生器[28]，如圖8 所示；插板式畸變發(fā)生器[35]，如圖9 所示；分裂翼型畸變發(fā)生器元件組合畸變發(fā)生器[29]，如圖10 所示；多元件組合畸變發(fā)生器[15]，如圖11 所示。歐美等國(guó)家通過(guò)研制上述畸變發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了畸變流場(chǎng)實(shí)時(shí)變化的目的。中國(guó)通過(guò)借鑒俄羅斯的進(jìn)氣總壓畸變?cè)囼?yàn)研究方法，采用高度可調(diào)的插板式畸變發(fā)生器模擬進(jìn)口畸變流場(chǎng)，雖然實(shí)現(xiàn)了不用停機(jī)也可調(diào)整進(jìn)氣畸變流場(chǎng)，但大部分試驗(yàn)只是開(kāi)展了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)畸變流場(chǎng)模擬[24，55]，插板式畸變發(fā)生器能否適用于畸變流場(chǎng)實(shí)時(shí)變化的情況需要開(kāi)展相應(yīng)的研究。此外，插板式畸變發(fā)生器無(wú)法精確模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的畸變圖譜，并且產(chǎn)生的畸變流場(chǎng)穩(wěn)/動(dòng)態(tài)畸變指數(shù)比例接近1∶1[32]，無(wú)法適用于有畸變圖譜需求以及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口穩(wěn)/動(dòng)態(tài)畸變指數(shù)偏離1∶1 比例的相關(guān)研究。

圖4 模擬板

圖5 隨機(jī)頻率畸變發(fā)生器

圖6 離散頻率畸變發(fā)生器

圖7 射流畸變發(fā)生器

圖8 俄羅斯航空研究院的瞬態(tài)總壓畸變發(fā)生器

圖9 插板式畸變發(fā)生器

圖10 分裂翼型畸變發(fā)生器

圖11 多元件組合畸變發(fā)生器

畸變發(fā)生器的位置選取在進(jìn)氣總壓畸變?cè)囼?yàn)研究中至關(guān)重要，國(guó)內(nèi)對(duì)此開(kāi)展了許多研究。吳森林等對(duì)插板后不同位置流場(chǎng)總壓恢復(fù)系數(shù)的研究表明，距離插板2.5～3.0 倍進(jìn)口管道直徑之間總壓恢復(fù)系數(shù)提升非常明顯，距離插板3.0～3.5 倍進(jìn)口管道直徑之間總壓恢復(fù)系數(shù)逐漸平緩，說(shuō)明插板距離進(jìn)口越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的畸變效果越差[30]。周游天等針對(duì)插板距離低速壓氣機(jī)進(jìn)口2 倍進(jìn)口管道直徑和3 倍進(jìn)口管道直徑對(duì)壓氣機(jī)性能的影響研究表明，插板距離壓氣機(jī)進(jìn)口為2 倍進(jìn)口管道直徑時(shí)對(duì)壓氣機(jī)性能影響較大[38]。黃熙君等繪制了篩網(wǎng)型畸變發(fā)生器下游不同位置的氣流角、靜壓的分布曲線，認(rèn)為畸變發(fā)生器下游1 倍管道直徑后流場(chǎng)是均勻的，可以用總壓畸變場(chǎng)來(lái)表示[17]。王勤等研究了動(dòng)態(tài)總壓探針與插板距離不同時(shí)對(duì)紊流度計(jì)算的影響，繪制了相關(guān)的概率密度曲線，表明在畸變發(fā)生器下游小于1 倍管道直徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)總壓測(cè)量時(shí)，概率密度曲線偏離正態(tài)分布，不符合發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道出口真實(shí)流場(chǎng)的分布規(guī)律[13]，說(shuō)明畸變發(fā)生器距離發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口以及AIP 過(guò)近，無(wú)法獲得真實(shí)的總壓畸變特性。

關(guān)于畸變發(fā)生器的安裝位置在國(guó)內(nèi)外的研究中有所區(qū)別，歐美等國(guó)家主要采用畸變篩網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，在研究中將畸變篩網(wǎng)安裝在壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)/整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)口上游1～2 倍發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口管道直徑處[33-34]；國(guó)內(nèi)大部分研究是利用可調(diào)插板畸變發(fā)生器進(jìn)行試驗(yàn)，在選取畸變發(fā)生器安裝位置時(shí)，主要采用GJB2004建議的安裝在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)口/AIP 截面上游3 倍左右管道直徑處的方案[21]。

結(jié)合以上文獻(xiàn)的研究?jī)?nèi)容，畸變發(fā)生器的位置選取需要針對(duì)不同的畸變發(fā)生器類(lèi)型、不同的進(jìn)口流場(chǎng)速度進(jìn)行試驗(yàn)，需要結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果、畸變指數(shù)的要求以及概率密度曲線的分析結(jié)果等綜合因素確定。

2 AIP 流場(chǎng)參數(shù)測(cè)試

如前所述，單獨(dú)的進(jìn)氣道試驗(yàn)主要用于畸變發(fā)生器的設(shè)計(jì)、出口AIP 畸變流場(chǎng)特性的研究以及測(cè)試方案的驗(yàn)證等。壓氣機(jī)/整機(jī)進(jìn)氣總壓畸變?cè)囼?yàn)主要研究AIP 處的總壓恢復(fù)和畸變程度以及進(jìn)氣總壓畸變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)/部件穩(wěn)定性的影響。因此在測(cè)試過(guò)程中需要確定AIP 位置以及流場(chǎng)參數(shù)測(cè)試方案等，利用測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算相應(yīng)的畸變指標(biāo)以及穩(wěn)定裕度，定量描述畸變程度并評(píng)估畸變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性的影響。

2.1 AIP 的位置

AIP 是主要測(cè)量截面，在總壓畸變?cè)囼?yàn)中主要用來(lái)確定進(jìn)氣總壓畸變特性。氣動(dòng)界面的位置選擇取決于試驗(yàn)研究的性質(zhì)，以及進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)的具體設(shè)計(jì)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)指南文件的描述，AIP 位置盡量選擇靠近發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口截面，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口截面通常為發(fā)動(dòng)機(jī)前支板、導(dǎo)流葉片或工作葉片前緣所在的截面[1，3，20-21]，文獻(xiàn)[1]中指出氣動(dòng)界面通常選在距發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口100 mm 以內(nèi)。AIR1419 結(jié)合探針梳測(cè)試方案，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口有無(wú)導(dǎo)葉以及進(jìn)氣整流錐/進(jìn)氣整流罩是否旋轉(zhuǎn)等情況分別關(guān)于AIP 的位置選擇進(jìn)行了討論[3]，如果進(jìn)口有導(dǎo)葉，可以將探頭安裝在導(dǎo)葉前緣，如圖12 所示；如果進(jìn)口無(wú)導(dǎo)葉，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口整流罩/整流錐不旋轉(zhuǎn)，需要靠近第1 級(jí)動(dòng)葉前緣安裝探針梳，如圖13 所示；如果進(jìn)口無(wú)導(dǎo)葉，并且發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的進(jìn)氣整流錐/進(jìn)氣整流罩旋轉(zhuǎn)時(shí)，AIP 測(cè)試探針梳無(wú)法靠近發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口截面安裝，只能安裝在整流錐/整流罩上游，如圖14 所示。對(duì)于這種進(jìn)氣錐/進(jìn)氣帽罩旋轉(zhuǎn)的情況，需要將氣動(dòng)截面的測(cè)量參數(shù)轉(zhuǎn)換為靠近發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口 截面的參 數(shù)[1，30]，換算方法通過(guò)大量模型與全尺寸試驗(yàn)建立。

圖12 安裝在導(dǎo)葉前緣的AIP 測(cè)試探頭

圖13 安裝在導(dǎo)葉前緣上游的AIP 測(cè)試探針梳

圖14 安裝在進(jìn)氣帽罩上游的AIP 測(cè)試探針梳

2.2 測(cè)試儀器

航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總壓畸變模擬試驗(yàn)通常需要研究總壓畸變對(duì)壓氣機(jī)/整機(jī)穩(wěn)定性的影響，測(cè)試內(nèi)容主要包括AIP 的總壓、靜壓、氣流偏轉(zhuǎn)角、氣流俯仰角、馬赫數(shù)等流場(chǎng)參數(shù)測(cè)試以及壓氣機(jī)/整機(jī)性能參數(shù)測(cè)試。壓氣機(jī)/整機(jī)性能參數(shù)測(cè)試如壓比、效率、耗油率以及推力等參數(shù)的測(cè)試不在本節(jié)介紹范圍。本節(jié)主要介紹AIP 的流場(chǎng)參數(shù)測(cè)試方案。

2.2.1 探針梳測(cè)試方案

2.2.1.1 探針梳測(cè)點(diǎn)布局

目前大部分總壓畸變?cè)囼?yàn)研究中采用探針梳測(cè)試AIP 的流場(chǎng)參數(shù)（主要為總壓的測(cè)試），還有部分研究采用PIV 測(cè)試方法。探針梳的測(cè)試方法可以分為穩(wěn)態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試2 部分。對(duì)于穩(wěn)態(tài)測(cè)試，需要在該截面布置測(cè)點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的描述，測(cè)點(diǎn)數(shù)越多，參數(shù)相關(guān)性越好，圖譜越準(zhǔn)確[1]。但是測(cè)點(diǎn)數(shù)越多，意味著探針梳數(shù)目較多，探針梳支桿會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)造成堵塞[56-59]，影響壓氣機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)性能[60-63]，因此在AIP 上關(guān)于探針梳布局設(shè)計(jì)需要折衷考慮圖譜測(cè)量準(zhǔn)確度和支桿堵塞問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外關(guān)于探針梳測(cè)點(diǎn)布局已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)研究。利用旋轉(zhuǎn)探針梳測(cè)得的探針梳數(shù)目以及每支探針梳的測(cè)點(diǎn)數(shù)對(duì)周向與徑向畸變系數(shù)的影響研究表明，周向畸變研究中周向至少需要分布8 根探針梳；徑向畸變研究中每支探針梳的測(cè)點(diǎn)數(shù)至少為5 個(gè)[3，31]，如圖15 所示。

圖15 周向/徑向畸變系數(shù)與探針梳數(shù)目的關(guān)系

在國(guó)內(nèi)，黃熙君等關(guān)于探針梳布局的研究表明，探針梳與低壓區(qū)的相對(duì)位置以及探針梳測(cè)點(diǎn)數(shù)目對(duì)畸變指標(biāo)值有影響，如果要求畸變指標(biāo)的計(jì)算偏差小于10%，探針梳數(shù)目應(yīng)不少于6 根，每根探針梳上測(cè)點(diǎn)至少為5 個(gè)[17]；齊亦農(nóng)等開(kāi)展的不同探針梳數(shù)目的對(duì)比研究表明，探針梳由5 支改為6 支，測(cè)量精度大為提高，但6 支探針梳與8 支探針梳的測(cè)試結(jié)果精度相差不大[36]。

在國(guó)內(nèi)，6×5“水”字型測(cè)試方案（周向均布6 支探針梳，每支探針梳上等面積中心分布5 個(gè)總壓測(cè)點(diǎn)）被大部分研究所采用[64-67]，測(cè)試布局如圖16 所示。吳森林等開(kāi)展了8×5 個(gè)測(cè)點(diǎn)（周向均布8 支探針梳，每支探針梳等環(huán)面分布5 個(gè)測(cè)壓點(diǎn)）與插板相對(duì)位置不同對(duì)畸變特性的研究，測(cè)試方案如圖17所示，研究結(jié)果表明2 種測(cè)試方案所得到的結(jié)果差異較小，如圖18 所示[30]。

圖16 “水”字型測(cè)試方案

圖17 2 種測(cè)試方案布局

圖18 總壓恢復(fù)系數(shù)對(duì)比

國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)相繼公布的指南文件均推薦穩(wěn)態(tài)總壓測(cè)試的測(cè)點(diǎn)分布方案為周向均布8 支探針梳，每支探針梳上等面積中心分布5 個(gè)總壓測(cè)點(diǎn)[3，20-21，68-69]。該方案在總壓畸變?cè)囼?yàn)中被稱為“米”字型測(cè)試布局方案，如圖19 所示。部分文獻(xiàn)采用探針梳上的測(cè)點(diǎn)沿探針梳等距分布的方案，可以滿足輪轂區(qū)需要詳細(xì)測(cè)量的要求[9]?！懊住弊中汀ⅰ八弊中鸵约皽y(cè)點(diǎn)等距分布的測(cè)試方案均未考慮邊界層內(nèi)流場(chǎng)的測(cè)試，對(duì)于有邊界層總壓測(cè)試需求的試驗(yàn)，需要設(shè)置相應(yīng)的邊界層總壓測(cè)點(diǎn)[70]。Pritchard H. White 針對(duì)不同形狀探頭孔口對(duì)邊界層壓力測(cè)試精度的影響[71]研究表明，圓形孔口對(duì)壓力測(cè)試最敏感，長(zhǎng)方形孔口可以降低測(cè)試噪聲。文獻(xiàn)[44]中提出邊界層探針需要做成鴨嘴形，孔口呈扁矩形。

圖19 典型的40 點(diǎn)探頭布局

雖然典型的“水”字型、“米”字型測(cè)試布局方案在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，但是由于探針測(cè)試分辨率較低，如果對(duì)畸變指數(shù)的精度和圖譜的準(zhǔn)確度要求較高，仍需要增加測(cè)點(diǎn)數(shù)。采用相對(duì)更密集的測(cè)試方案[10]如圖20 所示。但增加測(cè)點(diǎn)數(shù)就意味著堵塞問(wèn)題更為嚴(yán)重，而旋轉(zhuǎn)探針梳、旋轉(zhuǎn)畸變發(fā)生器等方案的利用極大減少了探針梳的數(shù)目[9，33-34，72]，并在一定程度上提高了測(cè)試分辨率，如圖21 所示。旋轉(zhuǎn)探針梳或旋轉(zhuǎn)畸變發(fā)生器的測(cè)試方案主要針對(duì)穩(wěn)態(tài)/準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)畸變流場(chǎng)的測(cè)試[8，10，72]，測(cè)試過(guò)程中需要考慮單次旋轉(zhuǎn)角度、流量穩(wěn)定時(shí)間、采樣時(shí)間以及采樣頻率對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。Jiri Pecinka 等對(duì)此開(kāi)展的研究表明，單次旋轉(zhuǎn)角度最佳為15°，每次旋轉(zhuǎn)后需要的流量穩(wěn)定時(shí)間至少為5 s，每次采樣時(shí)間至少為30 s，最佳采樣頻率為1 kHz[8，72]。

圖20 60 點(diǎn)探頭布局

圖21 旋轉(zhuǎn)探針梳方案

AIP 的動(dòng)態(tài)總壓參數(shù)反映發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口氣流的紊流度，紊流度越大對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性的影響越大。如何獲得1 個(gè)截面的湍流水平，需要提出合理的動(dòng)態(tài)總壓測(cè)點(diǎn)分布方案。國(guó)外關(guān)于動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)的布局對(duì)畸變系數(shù)測(cè)量精度的影響開(kāi)展了相關(guān)研究。Stanley H.Ellis 等開(kāi)展的動(dòng)態(tài)總壓測(cè)點(diǎn)數(shù)目不同對(duì)平均紊流度測(cè)試精度的影響研究表明，測(cè)點(diǎn)數(shù)目越少，測(cè)得的結(jié)果不確定范圍越大[73]，如圖22所示。

圖22 紊流度測(cè)試誤差

AIR1419 和GJB 2004 推薦了典型的動(dòng)態(tài)總壓測(cè)量方案，但2 種方案相差較大，AIR1419 推薦動(dòng)態(tài)總壓測(cè)試方案與穩(wěn)態(tài)總壓測(cè)試方案相同，為8×5 的測(cè)點(diǎn)分布，并且穩(wěn)/動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)通常封裝在一起[3]，如圖23所示。GJB 2004 推薦動(dòng)態(tài)總壓測(cè)試采用在0.9 倍相對(duì)半徑處，周向均布6 個(gè)動(dòng)態(tài)總壓測(cè)點(diǎn)的測(cè)試方案，并且動(dòng)態(tài)總壓測(cè)試截面與穩(wěn)態(tài)總壓測(cè)試截面可以相同也可以不同，2 個(gè)截面之間的距離應(yīng)不大于±10%管道直徑[21]，如圖24 所示[16]。

圖23 AIR1419 推薦的穩(wěn)/動(dòng)態(tài)總壓測(cè)點(diǎn)分布

圖24 GJB 2004推薦的動(dòng)態(tài)總壓測(cè)點(diǎn)分布

國(guó)內(nèi)大部分研究中，動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試方案是在0.9倍半徑處周向均布探針，采集的是1 個(gè)環(huán)面的數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)計(jì)算AIP 的紊流度。關(guān)于計(jì)算精度問(wèn)題，國(guó)內(nèi)江勇等利用8×5 的動(dòng)態(tài)總壓測(cè)點(diǎn)布局方案開(kāi)展的研究表明，每個(gè)環(huán)面的紊流度與面平均紊流度數(shù)值相差較大，并且各環(huán)面紊流度與面平均紊流度隨插板深度的變化量不同，采用僅在1 個(gè)環(huán)面上布置較少的測(cè)點(diǎn)來(lái)測(cè)取面平均紊流度誤差較大[40]。

2.2.1.2 探針梳頭部結(jié)構(gòu)、采樣率及采樣時(shí)間

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總壓畸變內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，為了獲取準(zhǔn)確的總壓參數(shù)，需要考慮探頭的不敏感角范圍以及探針的相關(guān)設(shè)計(jì)尺寸對(duì)測(cè)試精度的影響。穩(wěn)態(tài)總壓探針梳上的頭部為單孔總壓探頭，根據(jù)文獻(xiàn)[44]的描述，不同結(jié)構(gòu)的單孔總壓探頭對(duì)氣流不敏感角范圍不同，如圖25 所示。從圖中可見(jiàn)，孔口直徑越大不敏感角范圍越寬；不敏感角范圍與頭部形狀相關(guān)性不大；當(dāng)平頭管外加1 個(gè)套管時(shí)，雖然結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，但會(huì)很大程度提高不敏感角范圍。

圖25 不同結(jié)構(gòu)總壓探頭的不敏感性

在AIP 常用的測(cè)試探針梳為凸嘴型（圖20）和帶套型[3，10]，如圖26 所示。從圖中可見(jiàn)，頭部套管很大，過(guò)大的探針頭部會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生額外的影響[74-76]，在滿足測(cè)試要求的同時(shí)，套管直徑應(yīng)盡可能小[42]。此外，為了避免支桿以及其他探頭對(duì)測(cè)試精度的影響，需要考慮探頭伸出長(zhǎng)度以及探頭的間距。文獻(xiàn)[44]中對(duì)凸嘴型和帶套型探針梳的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了描述，如圖27所示。對(duì)于凸嘴型探針梳，探頭伸出長(zhǎng)度盡量取大，通常取a/D＞2.5，探頭間距一般取s/d=1.5～10；對(duì)于帶套型探針梳，探頭間距一般取s/D＞3[44]，并且其受感部到套管前端面的距離也會(huì)對(duì)測(cè)試精度產(chǎn)生影響，受感部距套管前端面越近，測(cè)試精度越高[43]，如圖28 所示。

圖26 AIP 的帶套型探針梳

圖27 常見(jiàn)的探針梳

圖28 測(cè)點(diǎn)距套管前端面距離對(duì)測(cè)試精度的影響

測(cè)試中常用的探針梳頭部為單孔總壓探頭，由于單孔總壓探頭無(wú)法測(cè)得氣流靜壓、偏轉(zhuǎn)角、俯仰角、馬赫數(shù)等參數(shù)，如果有氣流角測(cè)試要求時(shí)，需要采用多孔探針/多孔探針梳進(jìn)行測(cè)試。5 孔/7 孔探針以及多孔探針梳被用于進(jìn)氣總壓畸變研究中流場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量[9，34，38，77-78]，如圖29、30 所示。

圖29 5 孔探針安裝位置及測(cè)點(diǎn)分布

圖30 5 孔探針梳安裝位置

根據(jù)W. G. Steenken 的研究可知，在動(dòng)態(tài)總壓測(cè)試中，動(dòng)態(tài)探針頭部尺寸會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，探針頭部直徑越小，可以測(cè)得的上限頻率越高[41]，如圖31 所示。對(duì)于進(jìn)口氣流速度為60.96～182.88 m/s 的發(fā)動(dòng)機(jī)，90%的頻譜函數(shù)上限頻率為1350 Hz，AIR1419推薦探頭直徑為1.5～3.2 mm 時(shí)[3]，可以獲得穩(wěn)定性評(píng)估所需頻率范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，如圖32 所示。

圖31 探頭直徑的影響

圖32 穩(wěn)定性評(píng)估所需頻率

在動(dòng)態(tài)總壓測(cè)試中，采樣時(shí)間與采樣頻率對(duì)測(cè)試結(jié)果的精度有一定影響，國(guó)內(nèi)外在進(jìn)氣總壓畸變的研究中通常選取采樣時(shí)間為30～60 s[3]。采樣頻率與截止頻率相關(guān)，通常設(shè)置為截止頻率的4～5 倍[45]，當(dāng)傳感器采樣率足夠高，達(dá)到截止頻率10 倍以上時(shí)，可認(rèn)為數(shù)據(jù)在頻率通帶中失真極小[40]。

2.2.2 PIV 測(cè)試方案

PIV 是目前在流場(chǎng)測(cè)量中較為常用的非接觸測(cè)試方法，其測(cè)量的基本原理如圖33 所示。通過(guò)對(duì)成像記錄系統(tǒng)攝取的粒子圖像進(jìn)行自相關(guān)或互相關(guān)處理得到流場(chǎng)中的2 維速度矢量。PIV 實(shí)現(xiàn)了對(duì)流場(chǎng)的無(wú)擾動(dòng)測(cè)量，突破了探針、熱線和LDV 等測(cè)量技術(shù)單點(diǎn)測(cè)量的局限性。

圖33 PIV 原理

隨著PIV 在葉輪機(jī)械測(cè)試領(lǐng)域的推廣，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)展了進(jìn)氣總壓畸變?cè)囼?yàn)應(yīng)用研究[79-81]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，PIV 技術(shù)逐漸從2 維測(cè)量（PIV）發(fā)展到了3 維測(cè)量（Stereoscopic Particle Image Ve-locimetry，SPIV），SPIV 的基本原理與PIV 類(lèi)似，但需要2 個(gè)相機(jī)從不同的角度拍攝片光截面內(nèi)粒子的圖像，然后根據(jù)2 個(gè)相機(jī)拍攝的數(shù)據(jù)計(jì)算粒子垂直于激光截面的速度分量。目前，SPIV 測(cè)試技術(shù)已用于進(jìn)氣總壓畸變研究中[33]。弗吉尼亞理工學(xué)院的Michael A. Nelson 開(kāi)展的進(jìn)氣總壓畸變PIV 試驗(yàn)研究的測(cè)試方案如圖34所示。將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口上游1 倍管道直徑處選為AIP，測(cè)試區(qū)域夾角為45°（如圖35 所示），通過(guò)旋轉(zhuǎn)畸變屏獲得整個(gè)面的速度場(chǎng)。

圖35 測(cè)試區(qū)域

根據(jù)上述研究，利用PIV 測(cè)試技術(shù)可以獲得截面內(nèi)流場(chǎng)信息，相對(duì)于進(jìn)氣總壓畸變?cè)囼?yàn)中典型的40點(diǎn)測(cè)試方案，PIV 的測(cè)試分辨率可以提高200 倍以上，但是PIV 只能測(cè)得AIP 的速度場(chǎng)，無(wú)法測(cè)得壓力場(chǎng)，無(wú)法直接通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算畸變指標(biāo)并定量描述總壓畸變程度，這也是PIV 測(cè)試技術(shù)在進(jìn)氣總壓畸變研究中應(yīng)用較少的原因之一。為了解決PIV 速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)之間轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，利用速度場(chǎng)通過(guò)泊松方程或動(dòng)量方程重構(gòu)壓力場(chǎng)。Pavlos K. Zachos 等開(kāi)展了相關(guān)研究[49]，結(jié)合SPIV 的測(cè)試方案，利用RANS 數(shù)值模擬方法計(jì)算了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?nèi)部流場(chǎng)，獲得AIP 速度場(chǎng)，利用計(jì)算的速度場(chǎng)，基于泊松方程和動(dòng)量方程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)壓力場(chǎng)的重構(gòu)，從而計(jì)算畸變指標(biāo)DC（60）、CDI 和RDI 等，最后將重構(gòu)的壓力場(chǎng)與數(shù)值模擬直接獲得的壓力場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)將上述2 種壓力場(chǎng)計(jì)算的畸變指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明，通過(guò)泊松方程或動(dòng)量方程重構(gòu)的壓力場(chǎng)云圖和數(shù)值模擬獲得的壓力場(chǎng)云圖具有很好的一致性。對(duì)于畸變指標(biāo)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果，重構(gòu)方法與數(shù)值模擬結(jié)果相比誤差在10%以內(nèi)。對(duì)于畸變指標(biāo)的瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果，其中DC（60）受壓力重構(gòu)的影響較大，誤差大于10%。

除了壓力重構(gòu)造成的誤差，在PIV 測(cè)試過(guò)程中，誤差還來(lái)源于較大的速度梯度[50]、粒子播散不均勻[33]、粒子跟隨性差[33]、圖像中粒子密度和直徑過(guò)小[52]、光污染以及窗口拼接等[51，82]。

較大的速度梯度主要產(chǎn)生于激波、渦流或者邊界層內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致拍攝的粒子圖像變形、粒子對(duì)丟失以及邊界層粒子濃度低等問(wèn)題。對(duì)于粒子圖像變形的問(wèn)題，國(guó)外有BOS 方法[50]、多重網(wǎng)格迭代分析方法[52]等修正方法。由于渦流的存在，可能導(dǎo)致粒子在相鄰2幀拍攝圖片中丟失，導(dǎo)致粒子圖像不匹配，產(chǎn)生錯(cuò)誤的速度矢量[52]。對(duì)于邊界層內(nèi)的流動(dòng)，由于流動(dòng)速度較慢，速度梯度較大，導(dǎo)致粒子濃度非常低，對(duì)于PIV來(lái)說(shuō)，很難捕捉到邊界層內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)[33]。

粒子作為PIV 測(cè)試中不可或缺的一部分，為了能夠獲得AIP 準(zhǔn)確的速度場(chǎng)，需要保證截面內(nèi)粒子分布均勻和跟隨性良好，研究人員關(guān)于粒子的播撒技術(shù)開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究[33，83]。弗吉尼亞理工學(xué)院的Michael A.Nelson 進(jìn)行了很多嘗試，如圖36 所示。A 方案采用夾角為11.5°的3 根帶孔的細(xì)鋼管，安裝在臺(tái)架進(jìn)口，均勻噴灑在45°區(qū)域內(nèi)；B 方案采用在離進(jìn)口2.3～3.6 m位置處放置L 型噴嘴；D 方案采用在離進(jìn)口3.6 m 位置處放置A 方案中的3 根細(xì)管；E 方案采用在進(jìn)口正前方并遠(yuǎn)離進(jìn)口，放置1 根PVC 管?chē)姙⒘Ｗ樱籉 方案采用在進(jìn)口前端地面安裝噴頭，發(fā)動(dòng)機(jī)利用地面渦吸入粒子；G 方案采用在進(jìn)口同截面上方安裝粒子噴灑裝置。通過(guò)對(duì)比，前幾種方案對(duì)進(jìn)口流場(chǎng)產(chǎn)生干擾，地面渦吸入粒子導(dǎo)致拍攝區(qū)粒子分布不均勻，因此采用G 方案[33]。對(duì)于粒子跟隨性問(wèn)題，需要保證生成的粒子粒徑均勻，大小維持在1 μm 左右[83]。關(guān)于粒子圖像密度和粒子圖像大小進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)于在每個(gè)32×32 像素的詢問(wèn)窗口中包含大約10～15 個(gè)粒子；對(duì)于64×64 像素的詢問(wèn)窗口，粒子分辨率為2.5 個(gè)像素是最佳的；對(duì)于16×16 像素的詢問(wèn)窗口，最佳粒子分辨率約為2 個(gè)像素[84]，當(dāng)粒子分辨率小于2 個(gè)像素時(shí)，峰值效應(yīng)變得嚴(yán)重，影響測(cè)試精度[52]。

圖36 粒子噴灑方案

PIV 測(cè)試中，當(dāng)激光打在壁面上或者測(cè)試截面離壁面過(guò)近時(shí)，由于壁面反光導(dǎo)致采集的圖像中出現(xiàn)光斑或背景光過(guò)強(qiáng)等現(xiàn)象，造成粒子圖像不匹配，部分區(qū)域速度矢量計(jì)算錯(cuò)誤。當(dāng)PIV 離發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口較近時(shí)，測(cè)試結(jié)果有一定程度的失真，如圖37 所示[33]。根據(jù)圖34、37 中的測(cè)試方案可見(jiàn)，由于激光面尺寸限制以及光路遮擋等原因，導(dǎo)致視窗無(wú)法覆蓋整個(gè)AIP，這時(shí)可以采用視窗拼接的方案，如果采用不同平面采集方案，可能導(dǎo)致拼接時(shí)視窗之間出現(xiàn)斷層[53]。Michael A. Nelson 通過(guò)固定視窗、旋轉(zhuǎn)畸變發(fā)生器的方法解決了上述問(wèn)題，但是不同視窗的結(jié)果是在不同時(shí)間段采集的，視窗拼接的方案只能分析整個(gè)測(cè)試截面的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，無(wú)法分析整個(gè)截面的瞬態(tài)結(jié)果，如果需要分析瞬態(tài)場(chǎng)，目前可以通過(guò)縮比試驗(yàn)開(kāi)展高頻PIV測(cè)試技術(shù)研究。Pavlos K.Zachos、Grant McLelland 等開(kāi)展了S 型進(jìn)氣道的縮比試驗(yàn)，利用采樣率為1 kHz 的SPIV 系統(tǒng)獲得進(jìn)氣道出口截面的瞬態(tài)速度場(chǎng)[6，47]，并利用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行了分析。

圖37 離進(jìn)口較近時(shí)，PIV 測(cè)試方案及測(cè)試結(jié)果

3 進(jìn)氣總壓畸變測(cè)試方案實(shí)例

結(jié)合國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展的部分進(jìn)氣總壓畸變?cè)囼?yàn)結(jié)果，列舉了不同試驗(yàn)中的畸變發(fā)生器類(lèi)型、畸變發(fā)生器安裝位置、AIP 選取位置和測(cè)試方案以及其他截面測(cè)試方案。具體見(jiàn)表1。

4 總結(jié)

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總壓畸變的相關(guān)研究，主要總結(jié)了試驗(yàn)中所涉及的畸變發(fā)生器類(lèi)型和安裝位置、AIP 選取位置和總壓測(cè)試方案以及其他截面測(cè)試方案等。

表1 國(guó)內(nèi)外關(guān)于進(jìn)氣總壓畸變研究的測(cè)試方案

（1）飛機(jī)對(duì)機(jī)動(dòng)性的要求越來(lái)越高，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總壓的不均勻性、脈動(dòng)性越來(lái)越嚴(yán)重，在地面模擬試驗(yàn)中，為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口實(shí)時(shí)變化的畸變狀態(tài)，傳統(tǒng)的畸變篩、模擬板等穩(wěn)態(tài)畸變發(fā)生裝置已無(wú)法滿足當(dāng)前進(jìn)氣總壓畸變研究的需求。歐美等國(guó)家通過(guò)研制的離散頻率型/射流型/分裂翼型/多元件組合型畸變發(fā)生器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了畸變流場(chǎng)實(shí)時(shí)可調(diào)。中國(guó)通過(guò)引進(jìn)俄羅斯的進(jìn)氣總壓畸變?cè)u(píng)估方法，采用高度可調(diào)的插板式畸變發(fā)生器模擬進(jìn)口畸變流場(chǎng)，雖然實(shí)現(xiàn)了不用停機(jī)也可調(diào)整進(jìn)氣畸變流場(chǎng)，但大部分試驗(yàn)只是開(kāi)展了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)畸變流場(chǎng)模擬，插板式畸變發(fā)生器能否適用于畸變流場(chǎng)實(shí)時(shí)變化的情況需要開(kāi)展相應(yīng)的研究。此外，插板式畸變發(fā)生器無(wú)法精確模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的畸變圖譜，并且產(chǎn)生的畸變流場(chǎng)穩(wěn)/動(dòng)態(tài)畸變指數(shù)比例接近1∶1，無(wú)法適用于有畸變圖譜需求以及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口穩(wěn)/動(dòng)態(tài)畸變指數(shù)偏離1∶1 比例的相關(guān)研究，因此亟需研制新型畸變發(fā)生器，并開(kāi)展?jié)M足新型畸變發(fā)生器設(shè)計(jì)要求的風(fēng)洞試驗(yàn)以及功能性驗(yàn)證的壓氣機(jī)/整機(jī)地面模擬試驗(yàn)。

表1 國(guó)內(nèi)外關(guān)于進(jìn)氣總壓畸變研究的測(cè)試方案（續(xù)）

（2）畸變發(fā)生器的位置對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性影響較大。歐美等國(guó)家通常選取發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口上游1～2 倍進(jìn)口管道直徑位置安裝畸變發(fā)生器，國(guó)內(nèi)大部分研究將畸變發(fā)生器位置選取在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口/AIP 上游3 倍左右管道直徑處，但是畸變發(fā)生器不同、進(jìn)口馬赫數(shù)不同都會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的畸變流場(chǎng)，因此在畸變發(fā)生器位置選擇時(shí)，需要考慮其類(lèi)型、數(shù)值模擬的結(jié)果、畸變指數(shù)的要求以及概率密度曲線的分析結(jié)果等綜合因素。

（3）AIP 靠近壓縮系統(tǒng)/發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口，是總壓畸變?cè)囼?yàn)中重要的測(cè)試截面，用來(lái)研究進(jìn)氣總壓畸變特性。在地面試驗(yàn)中，AIP 的位置還需要結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)的情況，考慮是否有IGV 葉片，是否有進(jìn)氣整流罩/整流錐以及整流罩/整流錐是否旋轉(zhuǎn)等情況。

（4）探針梳具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工成本低以及可以直接獲取AIP 總壓用于發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性評(píng)估等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外大部分進(jìn)氣總壓畸變?cè)囼?yàn)研究中得到應(yīng)用。在探針梳設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮測(cè)點(diǎn)布局、探頭結(jié)構(gòu)、探頭尺寸、探頭伸出支桿長(zhǎng)度、探頭間距、動(dòng)態(tài)采樣時(shí)間、采樣頻率等對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，對(duì)于有邊界層總壓測(cè)試需求的試驗(yàn)還需要考慮邊界層總壓測(cè)點(diǎn)的布置。但由于受尺寸限制以及支桿的堵塞影響導(dǎo)致探針梳測(cè)量分辨率不足，無(wú)法滿足高精度測(cè)量要求，在穩(wěn)態(tài)/準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)進(jìn)氣畸變模擬試驗(yàn)中，旋轉(zhuǎn)畸變發(fā)生器或者旋轉(zhuǎn)探針梳為上述問(wèn)題的解決提供了思路。對(duì)于旋轉(zhuǎn)畸變發(fā)生器及旋轉(zhuǎn)探針梳的測(cè)試方案設(shè)計(jì)，需要考慮旋轉(zhuǎn)角度步長(zhǎng)、每次旋轉(zhuǎn)后流量穩(wěn)定時(shí)間、平均采樣時(shí)間以及采樣頻率等多種因素對(duì)畸變指標(biāo)計(jì)算的影響。對(duì)于有氣流角測(cè)量需求的試驗(yàn)，需要選用多孔探針梳進(jìn)行測(cè)試。

（5）隨著光學(xué)儀器在流場(chǎng)測(cè)試中的發(fā)展，PIV 逐漸被用于進(jìn)氣總壓畸變的試驗(yàn)研究中，相對(duì)于典型的8×5 測(cè)點(diǎn)布局（周向均布8 支探針梳，每支探針梳等面積分布5 個(gè)總壓測(cè)點(diǎn)），PIV 的測(cè)量分辨率提高了200 倍，但是由于PIV 主要用于速度場(chǎng)的測(cè)試，無(wú)法直接獲得壓力場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估，所以需要結(jié)合泊松方程或動(dòng)量方程進(jìn)行壓力場(chǎng)的重構(gòu)，但是需要考慮重構(gòu)誤差是否在可接受范圍之內(nèi)。除了重構(gòu)誤差之外，采用PIV 進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)測(cè)試時(shí)還需要考慮較大的速度梯度、粒子播散不均勻、粒子跟隨性差、圖像中粒子密度小、圖像中粒子直徑過(guò)小、光污染以及窗口拼接等因素帶來(lái)的誤差。當(dāng)采用PIV 進(jìn)行瞬態(tài)流場(chǎng)測(cè)試時(shí)，除了考慮上述因素的影響，需要進(jìn)行縮比模型試驗(yàn)以及采用高頻PIV 測(cè)試系統(tǒng)，采樣頻率最低為1 kHz。