跨声速涡轮平面叶栅流场的光学测量

作     者：巩昊 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐惊雷

授予年度：2019年

学科分类：080103[工学-流体力学] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：跨声速平面叶栅风洞实验 尾流板 叶栅流场周期性 背景导向纹影技术 粒子图像测速技术 

摘      要：在实际工程应用中,平面叶栅风洞实验仍是获得叶片气动性能以改善叶片几何型线的重要手段之一。平面叶栅风洞实验可以在测量流场压力数据的基础上获得瞬态流场结构,这一切都依赖于传统壁面压力采集和不断完善的流场光学测量技术。本文以某典型跨声速高压涡轮导叶平面叶栅为研究对象,在对叶片壁面及叶栅出口进行传统压力测量的基础上,利用背景导向纹影技术和粒子图像测速技术分别测量叶栅流场的密度场和速度场,以实现叶栅流场气动参数的瞬态非接触定量测量。首先,通过数值计算和实验相结合的方法验证尾流板对叶栅流场周期性的改善作用。本文详细研究了不同尾流板开孔率(s)、偏转角度(a)和开槽宽度(w)对流场周期性的影响,并通过计算结果的正交实验确定尾流板相关参数的最佳组合,最后通过实验验证计算结果的准确性。结果表明:合理选择尾流板参数能明显改善叶栅流场的周期性,针对本文的研究对象s=50%、a=70°、w=2mm的尾流板性能最佳。其次,在跨声速平面叶栅风洞实验台上利用背景导向纹影技术实现叶栅流场密度场的定量测量,在获得流场密度梯度矢量分布的基础上分别通过线性积分和求解泊松方程的方法重构密度场。为了更直观地比较不同重构方法对密度场测量结果的影响,在流场区域提取不同曲线上的密度值进行对比。结果表明:背景导向纹影技术能够应用于跨声速叶栅流场的密度场测量,并成功捕捉到如尾迹、尾缘激波等典型流动现象,同时密度场重构结果与计算结果吻合较好。最后,在跨声速平面叶栅风洞实验台上利用粒子图像测速技术实现叶栅流场速度场的定量测量,同时将测量得到的速度场与计算结果进行对比,并对实验获得的叶栅流场的典型流动现象进行详细分析。结果表明:粒子图像测速技术能够准确捕捉叶栅流场的典型流场结构,同时实验结果与计算结果吻合较好。