1. 引言

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。

2. 实验原理

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：

(1-1)

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] ：

(1-2)

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：

(1-3)

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

(1-4)

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。

3. 实验装置及工况

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。

4. 实验结果及分析

4.1. 实验结果

为了消除射流掺混中非定常因素影响，试验结果用一定数量照片进行平均(200张)，以获得能较好表现流场的图像。按照表1设定的工况，对射流流场进行PLIF测量，并用自行开发的图像处理程序进行了平均处理，结果如图4~6。

不同像素点的灰度值反映了对应位置荧光信号强度，可以表征射流气体的浓度。冷却气流在出口处浓度最高，浓度沿主流方向下降；气流受主流影响向壁面弯曲，形成覆盖在试验件表面有一定厚度的气膜，这与实际气膜掺混过程相符[12] ，可以认为本文中的方法在实际叶片气膜孔尺寸的实验台上反映了气膜的基本信息。

表1. 试验工况表

4.2. 气膜覆盖完整性分析

在气膜冷却设计中，气膜覆盖的完整性是很重要的评估指标，气膜覆盖不完整可能导致高温燃气烧

蚀叶片。气膜的横截面长度可以表示气膜的覆盖范围，本文中定义气膜长度为气膜前端至末端沿主流方向，气膜两端以灰度值550作为截止值根据图像处理结果，三个工况的气膜长度见表2。

从趋势上看，气膜的长度随吹风比增加，这一结论与Kumagai等人的研究是一致的。在此基础上，结合本方法给出的图片和文献 [8] 中的理论分析，可以发现：当吹风比Br = 0.697时，气膜横截面积较小。此时射流气体流量和动量较小，主流速度大于射流气体，在垂直于主流速度的截面上存在较大的速度梯度，射流气体与主流气体发生较强掺混，主流气体被输运到壁面附近，同时一部分射流气体离开，导致下游处无法形成气膜覆盖在实验件表面。在荧光图像上表现为气膜长度较短且在下游分布不均。当吹风比增加到Br = 1.101时，射流气体流量和动量增加，可以到达出口下游更远处，同时射流和主流速度较为接近，主流和射流的掺混不强，使得射流形成的气膜形状稳定，不易破裂，覆盖面积增加。而随着吹风比的增加，射流的出口流速过大，一方面使射流气体沿出口方向冲出较远，另一方面存在很大的速度梯度，射流气体与主流气体剧烈掺混，容易脱离壁面，导致气膜的覆盖区反而减小。

另一方面，从图像中可以看出，气膜横截面积随吹风比增加而增加，但在不同工况下，气膜体现出了不同的贴壁性。气膜的贴壁性对冷却效率和近壁面流动特性都有显著影响。为研究这一问题，本文定义弯折角，具体为气膜经过弯折面后中轴线与实验件上表面，用α表示，如图7所示。

三种工况下的弯折角见表3。

由表3，工况一和工况二条件下，弯折角比较接近，但工况二下弯折角较工况一小，工况三的射流角明显大于前两个工况。T. F. Fric等人的实验和孟宝宝等人的平板气膜实验中也观察到了上述现象并进行了讨论 [13] [14] 。结合文献中提出的原理和本文的实验图像，可以进行如下分析：在工况一下，射流气

表2. 气膜长度

表3. 弯折角

体较少，动能也较低在出口附近易于附在壁面上形成气膜，但由于射流与主流存在较大速度差，射流气体与主流气体掺混，容易被主流带离壁面。工况二下，射流迹线更贴近壁面。表明相对工况一，在吹风比为1.101的情况下壁面附近有更多的射流气体。这是由于射流速度较工况一增大，此时主流和射流的速度比较接近，湍流度在主流方向变换比较平缓，主流与射流气体之间作用比较稳定，使气体能较好的贴附在壁面上。但在工况三下，可以看出吹风比增加到一定程度后，气体在背风侧刚离开气膜孔时，与主流发生强烈掺混，使冷却气流从迎风侧被输运到主流中，离开壁面无法形成覆盖。

4.3. 流场细节及冷却效率计算

此外，通过丙酮PLIF方法得到的结果可以为流场细节捕捉和冷却效率测量计算提供必要的试验数据。

根据层流理论和动量定理，射流气体只有垂直于主流速度的动量，因此射流气体应只在射流孔至下游出口的空间内分布。而实际图片中，参考气膜孔的位置，可以明显看到一部分射流气体扩散，相对射流出口逆主流方向分布。吴介之等人的涡动力学引论一书中描述了这一现象 [13] ，Kelso R的实验中也有马蹄涡现象的论述 [14] 。对照文献的理论和本文的实验结果，可以认为该部分气体与主流剧烈掺混，在气膜前端形成马蹄涡，导致射流气体受到卷吸作用，在射流出口上游也有分布。

根据表4反映出的各工况下射流孔上游射流气体的宽度，可以认为马蹄涡的强度随吹风比的增大而增加。需要说明的是，本实验没有针对气膜冷却的速度场进行测量，因此不能直接判断马蹄涡的结构。本文中对马蹄涡的测量和研究基于浓度分布图像中出现的射流气体逆主流分布现象和文献中的相关论述进行，实验和分析结果得出了马蹄涡的分布位置、尺寸以及吹风比对马蹄涡强度的影响。

根据Lampard和Hay使用的传热/传质比拟分析方法 [9] ，被测气体的热扩散系数与质量扩散系数相关，此时当地气膜冷却效率可以表示为。本文中的图像可以为传热/传质比拟分析方法提供气膜浓度分布数据，进而对气膜冷却效率进行计算。

4.4. 小结

综上，本文将丙酮PLIF方法应用于气膜冷却研究，得到了冷却气体浓度分布的荧光图像。为研究气膜覆盖完整性，定义了气膜长度和弯折角。通过对气膜图像进行分析，得出了吹风比对上述参数的影响。同时实验中还观察到了马蹄涡现象，测量研究了吹风比对马蹄涡强度的影响。根据传热/传质比拟分析方法，本文中的实验结果可以为冷却效率计算提供实验数据。

5. 结论

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。

参考文献