附面层吸除抑制压气机内流动分离的机制及控制策略优化研究

As one of the active flow control methods, boundary layer suction was implemented via the hole/slot on the blade surface and end-wall of a highly-loaded compressor in order to effectively suppressing or weakening the three-dimensional flow separation and enhancing aerodynamic performance and stability. Comprehensive utilization of the suction hole and slot trough flow control strategy optimization in the surfaces of rotor, stator and end-wall was proposed. By the three-dimensional numerical simulation methods and experimental validation of means, and combined conventional aerodynamic performance evaluation method with topological theory and vortex dynamics, the essential design theory and control strategy for boundary layer suction applying in the compressor cascade with three-dimensional complex shape blade were initially established.The mechanismsforeffectively controlling the complex three-dimensional flow separationand redistribution of low energy fluid were further revealed. The design theory of a highly-loaded aspirated compressor was improved, which not only provide technical reserves for the formation and development of such fields as aspirated compressor, but also has the practical value of the recent projects.

本项目针对高负荷压气机设计中面临的因大尺度分离而导致的流动失稳问题，将主动流动控制技术- - 附面层吸除应用其中，以达到有效抑制或者削弱流道内复杂三维流动分离的目的，从而提升其气动性能和工作指标。项目提出在动、静叶以及端壁表面综合利用吸气孔和吸气槽的流动控制策略优化方法，采用常规的气动性能研究评价方法与拓扑理论和涡动力学知识相结合的思路，通过三维数值模拟分析方法和实验验证手段，初步建立了具有三维成型复杂外形叶片的叶栅流道内采用附面层吸除的设计理论和控制策略，进一步揭示了复杂三维分离流动得到有效控制的机理，以及附面层吸除控制附面层内低能流体再分配和有效吸除的内流机制，完善了高负荷吸附式压气机的设计理论基础，不仅能够为我国相关技术的形成与发展提供理论技术储备，而且具有实用的近期工程应用价值。

本项目针对高负荷压气机设计中面临的因大尺度分离而导致的流动失稳问题，将主动流动控制技术—附面层吸除应用其中，以达到有效抑制或者削弱流道内复杂三维流动分离的目的，从而提升其气动性能和工作稳定性。采用综合利用吸气孔和吸气槽的流动控制策略优化方法，通过三维数值模拟分析方法和实验验证手段，建立了具有复杂三维流动分离叶栅中的基本吸除设计理论和分离控制策略，并进一步揭示了复杂三维分离流动得到有效控制的机理。项目按照预期计划顺利进行并完成，同时获取了丰富的研究成果，主要包括：1）设计了基于孔式抽吸的叶栅附面层抽吸装置，对静叶栅端壁和吸力面上进行了多种方案的附面层抽吸策略研究，验证了孔式抽吸方式对控制复杂三维流动分离的有效性，初步建立了低速叶栅附面层抽吸的一般设计理论和基本控制策略，达到了课题预期的研究目的。2）提出了基于孔式抽吸的附面层复合抽吸方法，通过对考虑内部抽吸通道的低速压气机级的数值研究，揭示了孔式抽吸抑制级内三维流动分离的机理，给出了内部通道对抽吸效果的影响；此外，采用非定常数值研究方法，研究了转静干涉对吸附式压气机气动性能的影响。项目的完成为完善先进高负荷吸附式压气机的设计体系提供了依据，并对未来具有更高指标、更稳定工况的压气机研制奠定了理论基础。