钟策，吴伟亮

上海交通大学机械与动力工程学院，叶轮机械研究所，上海

收稿日期：2016年2月22日；录用日期：2016年3月3日；发布日期：2016年3月8日

本文使用丙酮平面激光诱导荧光技术(Acetone-PLIF)，在掺混特性试验台上对冷却气膜与主气流的掺混进行了可视化测试。试验中采用的射流孔与实际叶片气膜孔处于同一尺度范围内。为研究气膜覆盖的完整性和贴壁性，定义了气膜的横截面长度和弯折角，并在三种吹风比下拍摄了掺混过程的荧光图像。通过图像处理，对上述参数进行了测量和分析，结论表明吹风比对气膜的有效覆盖长度和弯折角存在显著影响，在射流速度与主流相近时，气膜覆盖效果较好。通过图像，还捕捉到了射流孔附近的流动细节及变化规律。该技术在流体机械研究领域有广泛的应用前景。

关键词 :平面激光诱导荧光，气膜冷却，气膜完整性

在现代燃气轮机中，为了提高燃气轮机的单机效率，涡轮入口需要的高燃气初温已经对涡轮部件冷却提出了更高要求。因此，必须采用有效的冷却措施对部件进行冷却。在涡轮部件中，叶片是热负荷最大的部件之一，针对叶片冷却，主要采用气膜冷却等技术，气膜冷却在总冷却中贡献最大，对气膜冷却的研究一直是高温部件冷却技术研究中的热点之一[ 1 ] 。气膜冷却的设计缺陷可能导致重大故障[ 2 ] ，因此针对气膜冷却的测试诊断技术具有重要的研究意义。在实验研究方面，Lesley M. Wright和Stephen T. McClain等人运用PIV (Particle Image Velocimetry)方法对双孔气膜冷却的几何构型对冷却效率的影响进行了评估[ 3 ] ；韩昌和李佳等采用压力敏感漆(Pressure Sensitive Paint)测量比较了多种气膜孔在不同吹风比下的冷却效率，并结合数值模拟方法对流场进行了机理分析[ 4 ] 。

LIF (Laser-induced Fluorescence)技术是一种新型光学测试技术，该先进技术作为现代光学诊断方法的代表，在动力机械行业有广阔前景的技术，是一种研究动力机械的速度、浓度、温度等分布的优秀手段。PLIF技术发展早期就被尝试用来进行流体掺混测量，国内外研究者在喷雾与掺混测量、两相流研究、燃空比定量分析等方面开展了多项研究[ 5 ] -[ 7 ] 。其中也有部分学者开展了采用PLIF对气膜的研究，如大阪大学的Kumagai和Takeishi等人使用丙酮PLIF技术对两种孔型的平板气膜冷却进行了测量和分析，并将结果与CFD计算结果进行了对比，验证了实验方法的可行性[ 8 ] 。

一方面，PLIF技术在气体掺混测量研究方面并没有广泛应用；另一方面，现有研究中的实验件尺度和形状，与实际叶片相差较大，该技术运用到叶片气膜研究尚有许多工作需要完成。总的来说，PLIF技术用于叶片气膜冷却的实验研究尚处在起步阶段。此外，传热/传质比拟方法可用于研究气膜绝热壁面温比[ 9 ] ，将该方法与PLIF方法结合，可以对冷却效率进行非接触式测量，在气膜冷却研究上具有广泛前景。

本文尝试了以丙酮为分子示踪剂、用PLIF方法获取冷却气膜荧光图像，对气膜与主流掺混行为进行研究的方法，重点分析了该方法在具有实际涡轮叶片尺度范围实验台上的表现，并参考他人已有的研究工作结论，对冷却气膜的重要参数和捕捉到的流动掺混现象进行测量分析，初步提出了一种气膜冷却测试和评估方法。

含有特定分子功能团的有机分子在收到一定波长的激发光照射时，会吸收光子，并从基态跃迁至较高的能级态。因为处于较高能级态的分子处于不稳定状态，会以荧光的方式辐射能量。荧光的特性会随有机分子的种类、温度、压力以及周围物质氛围(氧气浓度)等不同而呈现出规律性差异[ 10 ] 。在流动实验中，将这类有机分子作为示踪剂加入待测气体中，通过检测受激分子的荧光强度，可以得到区域内指定组分的浓度、温度、空间分布等信息。

在本实验的被测体系中，认为示踪剂在气态条件下与射流气体均匀混合，此时射流气体浓度正比于示踪剂的浓度。设流体中某单元内示踪分子浓度为M，射流气体浓度为G，则有：

由上示踪分子浓度为M，设荧光光强分别为J，激光的光强为L，则此三者具有以下的关系[ 11 ] ：

其中，L_sat为荧光饱和时的激发光光强，LIF实验中使用的激发光强远小于饱和光强，即 时，式子可以简化为：

在弱激发条件下，当激发光光强一定，示踪剂与射流气体均匀混合时，设射流气体浓度为G，有

实验中，相机拍摄下的荧光图像的灰度给出了荧光光强的数值，可以表征射流气体浓度的分布。因此，荧光图像中荧光光强的变化趋势和特性就实际代表了射流掺混场的特性。

LIF方法具有高分辨率，时间响应快，高灵敏度等特点，使用LIF方法对流体掺混进行实验测量具有坚实的理论基础。

实验在低速风洞中进行，该风洞主体为有机玻璃材料，截面为100 mm × 100 mm的方形，进口段长度为2500 mm，满足L ≥ 10 d的要求，可以使主流气体速度接近均匀，实验段入光面为石英玻璃，以保证紫外激光能进入实验段。实验台设计如图1所示。

实验件为一梯形四棱柱体，如图2，实验件上开孔为半径1 mm的圆形。

实验研究了3种不同的吹风比，该吹风比由冷却气的体积流量控制，见表1。

实验开始前，将射流气源通入装有液体丙酮的容器中以获得平均温度为60℃的饱和蒸汽。该股气流在通入实验段前再次加热，温度维持在80℃，使进入实验段的混合气体为过热蒸汽，防止丙酮的凝结给实验带来误差。

PLIF实验系统如图3。Nd:YAG激光器的二倍频激光，波长为532 nm，激发染料后发出562 nm的染料激光，经过二倍频晶体得到波长为281 nm的激发光，激发光频率为10 Hz。该激发光经过一透镜组，扩束整形后得到矩形片光，片光宽约25 mm，厚约1 mm。通过DG535同步激光器和ICCD，使激光激发荧光的信号与快门信号同步。ICCD镜头为105 mm焦距，光圈为F/4，镜头前有滤色片，用来滤除激发光及一些背景光的辐射。

本文利用丙酮PLIF技术对弯曲表面气膜冷却的浓度场进行了可视化显示，根据PLIF图像的灰度信息获得了气膜冷却在不同工况下的不同表现，可以得出如下结论：

1) 丙酮PLIF技术可以用于研究气膜覆盖的完整性和贴壁性。在本文的实验装置中，吹风比对气膜的有效覆盖长度和弯折角存在显著影响。在低吹风比和高吹风比的情况下，主流与射流掺混作用强烈，容易导致射流气体脱离壁面，使得气膜覆盖面积减小，完整性受到破坏；另一方面，在射流速度与主流速度接近的工况二条件下，湍流度沿主流方向发展较平缓，且径向速度梯度也较小，不易发生剧烈掺混，因此工况二的完整性和贴壁性在三种工况中最好。

表4. 马蹄涡尺寸

2) 丙酮PLIF技术可以对射流孔附近的流动细节进行捕捉。根据得到的图像以及文献中的相关论述，射流气体逆主流分布的位置存在马蹄涡现象，图像表明其强度随吹风比的增大而增加。通过进一步研究，PLIF方法将可以对掺混过程中更多流动细节进行可视化显示和测量，在气膜冷却等流体机械研究领域具有广泛的应用前景。

钟 策,吴伟亮. 基于PLIF诊断技术的气膜冷却研究Study on Film Cooling Based on PLIF Technology[J]. 机械工程与技术, 2016, 05(01): 9-16. http://dx.doi.org/10.12677/MET.2016.51002