高负荷压气机尾迹/激波相干效应研究

According to the developing trend of the high-loaded compressor, the shock wave in the rotor blade becomes absolutely stronger. The interaction between the wake and downstream shock wave plays an important role in the aerodynamic performance variation of the high-loaded compressor. So this research project plans to clarify the interaction and coupling mechanism of the wake and shock. It focus on the phase-locked between the wake shedding vortex and the downstream rotor in 2D and 3D flow respectively, just in order to clarify the unsteady interaction characteristic between the wake shedding vortex and the downstream shock wave or boundary layer, and further the influence of the aerodynamic loss and load of the high-loaded compressor, which is caused by the variation of the shedding vortex clocking-position and vortex strength and size. Base on this research, it is helpful to clarify the interaction of the wake and shock wave, and ascertain the essential association between the aerodynamic performance variation and wake/shock interaction in the high-loaded compressor. Then, it is looking forward to build up the evaluation mechanism of the effect of the wake/shock interaction on the aerodynamic performance of the high-loaded compressor, and form the elementary rules of the aerodynamic design and optimization of the high-loaded compressor.

应大力发展高负荷压气机的需要，压气机动叶中的激波强度显著增加，尾迹与激波之间的非定常干涉则成为影响高负荷压气机气动性能的重要组成部分。因此，澄清和诠释尾迹/激波相干效应及其耦合的机理是提出本项申请的着力点。拟从尾迹脱落涡时序效应出发，分别在二维与三维流动的层面上，剖析尾迹脱落涡时序位置与涡强度、尺寸变化对下游高负荷转子激波波系及附面层形态影响的非定常干涉特征，及其对高负荷转子气动损失与气动负荷的影响关系。达到深一步澄清尾迹与激波之间的非定常干涉机制和界定尾迹/激波相干效应与高负荷压气机气动性能变化的本质关联的目的。希望为建立尾迹/激波相干效应对高负荷压气机气动性能影响的评价机制，并形成气动匹配设计及优化准则的雏形，为我国自有知识产权技术构架的形成打下一定的理论基础。

应大力发展高负荷压气机的需要，压气机动叶中的激波强度显著增加，尾迹与激波之间的非定常干涉则成为影响高负荷压气机气动性能的重要组成部分。本项目从尾迹脱落涡时序效应出发，着力于澄清和诠释高负荷压气机尾迹/激波相干效应及其耦合的机理。首先在二维流动的层面上，建立了尾迹脱落涡时序位置与级间匹配参数之间的关系式，基于该关系式通过调整上游静叶排与下游转子叶排之间的匹配参数，即可获得特定的尾迹脱落涡时序位置。而尾迹脱落涡时序位置的变化会对高负荷压气机转子的气动性能产生影响，逆时针旋向尾迹脱落涡沿着转子叶栅压力面附近迁移时，会导致转子叶栅叶表附面层速度梯度变大，也即壁面摩擦系数变大，进而引入额外的壁面粘性损失。其次，在同一尾迹脱落时序位置下，剖析了尾迹脱落涡强度与尺寸变化对高负荷压气机转子气动性能的影响。逆时针旋向尾迹脱落涡沿着转子叶栅压力面迁移时，随着脱落涡强度的减弱，抑制附面层分离的能力较差，导致激波与附面层干涉所产生的附面层分离区较大，波后的附面层分离损失较大。最后，在三维流动层面上，剖析了径向迁移及端壁效应对尾迹脱落涡时序效应的影响。在端壁角区流动以及径向迁移的影响下，叶根与叶尖附近尾迹在吸力侧的速度亏损区面积增大，进而导致尾迹宽度增加。受到上游叶排尾迹脱落涡与下游转子叶顶间隙泄漏涡之间非定常干涉的影响，下游转子叶顶区压力侧轴向速度时均值增加且吸压力侧逆压梯度增大，导致泄漏流气流角明显减小，泄漏涡强度降低。且受此非定常干涉效应影响，下游转子压力侧“低熵气泡”的间歇性挤压作用，促进了通道中部的泄漏涡高熵区与相邻叶片吸力侧尾缘附近的附面层高熵区相互掺混，而引入额外的掺混损失，导致下游转子靠近叶顶间隙区气动损失有所增加。本项目界定了尾迹/激波相干效应与高负荷压气机气动性能变化的本质关联，可为今后在固有非定常干涉层面上开展高负荷压气机气动设计提供关键技术储备。