高负荷扩压叶栅附面层流态可视化研究

To meet the requirement of the "exquisite design" and the advanced CFD for turbomachinery, the current project aims at development of an innovative experimental technique based on well understanding of interdisciplinary in aerodynamics, optics and graphics. The optic pressure sensitive paint (PSP) technique for the turbomchinery will be developed by exploring the multi-positional image acquisition and the image merge technique in order to break the limitation of the narrow measured space and to measure the complex flow field. In order to establish the relationship between the flow pattern on a compressor blade and the pressure distribution, the high resolution pressure distribution on the large curved blade will be quantitively measured with good accuracy and the boundary layer flow pattern on the high loaded compressor blade will be visualized with other traditional flow visualization technique and numerical computation. The investigation will contribute to the development of advanced aerodynamic experimental techniques and the innovation of compressor design method based on well physical understanding of the internal flows in turbomachinery.

对叶片表面附面层流态的控制及其效应的评价始终是压气机设计的关键技术。基于高负荷压气机"精细化设计"与高精度CFD方法对先进流动测量技术的研究需求，并结合课题组在高负荷压气机与内流场流动显示技术方面的研究基础，申请人拟开展高负荷扩压叶片表面附面层流态可视化的研究工作，研究适合内流场测量的多角度图像采集与图像融合方法，突破光学测量受被测空间的约束限制，发展具有高空间分辨率的内流光学压敏测量技术，同时辅以传统测量手段和高精度数值模拟，捕捉叶片附面层流态的精细结构，建立定性的流动显示图谱、定量的压力分布图像及高精度的数值模拟结果等综合"海量"信息与附面层流态的关联关系，探讨其物理现象的发生机制及其气动效应，力争在先进测量技术的发展与内部流动机制的诠释方面取得突破，并为发展现代高负荷压气机的"精细化设计"方法和下一代叶轮机械CFD数值方法提供有效的实验支撑。

基于高负荷压气机“精细化设计”与先进CFD方法对流动测量技术的研究需求，并结合课题组已在高负荷压气机与内流场流动显示技术方面的研究基础，项目No.51476132按期完成了项目计划书的所有研究内容：（1）自主发展了光学压敏测量技术的复杂内流光学布局与图像处理方法；（2）提出了光学压敏测量技术测量精度的影响因素及精度提高方法；（3）实现了高负荷扩压叶栅全通道、高负荷吸附式压气机叶片等高负荷叶栅三维通道全域表面的高空间分辨率压力测量；（4）进行了高负荷大弯度扩压叶栅表面剪敏液晶的测量及传统压力测量；（5）基于多种测量结果、数值结果的综合数据，对扩压叶栅表面附面层流态的变化进行了综合诊断分析。.在上述研究工作的基础上，解决的科学问题有：（1）针对大曲率或结构复杂的叶片型面与受限的内流空间，实现了复杂型面的可视化显示与流动信息的有效提取；（2）实现了高负荷、大弯度扩压叶栅三维叶栅通道的吸力面、压力面及端壁的全域表面高空间分辨率的压力测量；（3）基于多种数据的综合诊断分析，建立了附面层流态变化与压力的关联关系，结果表明：由于前缘扰流的过度膨胀而产生的“吸力峰”是诱导扩压叶片附面层转捩的根本原因。.研究成果在复杂内流先进测量技术的发展与扩压叶栅附面层流态发展的诠释等方面取得了突破，为发展现代航空发动机的“精细化设计”方法和下一代叶轮机械CFD数值方法提供有效的技术途径。研究成果已应用于航空发动机AAXX专项研究计划，获国防发明奖项1项；发表学术论文27篇（SCI检索4篇，EI检索7篇，国际学术会议论文7篇）；受理/授权专利12项、软件著作权2项；出版专著1部（部分章节）；已培养硕士研究生15名，在读硕士生2名，在读博士研究生4名；获优秀学位论文4篇，获国家级奖项15人次。