压气机内复杂流动机理、模化和控制研究

拟申请内容是在总结和分析国内外压气机内复杂流动的研究现状和发展趋势的基础上提出的。整个研究计划将通过压气机内复杂流场信息的获取，进行流动机理与模化分析，探讨相应的控制方法。主要研究内容包括：压气机叶尖泄漏流动、压气机三维角区分离流动、压气机内部激波/边界层干扰、湍流模拟技术和高精度数值方法研究。前三部分研究内容将建立在以实验研究为基础，理论分析和数值模拟为支撑的构架上，分别在亚/跨音平面叶栅、1.5级亚/跨音、4级低速实验台上，完成机理性实验验证。第四部分内容主要将开展湍流模型改进与新算法研究，如基于结构/非结构网格的间断Galerkin、LES、LES/RANS混合方法等，以便进一步分析压气机内部的复杂流场细节，补充实验手段与实验研究的不足。最终得到压气机内复杂流动结构的流动机理、模化、以及控制方法，建立一套有效的理论与模拟分析系统，为提高我国先进航空发动机的性能提供理论与方法。

为推动高负荷压气机的研发设计，本项目总结分析了国内外压气机内部复杂流动结构的研究现状与发展趋势，深入研究了压气机内部叶尖泄漏流动、三维角区分离流动和激波/边界层干扰等复杂流动结构，发展了高精度数值方法和湍流模拟技术。.本项目在平面叶栅、亚音和跨音压气机等多个实验台上，详细测量了叶尖区域和三维角区的流场，结合理论分析与高精度的数值模拟，深入研究了压气机内部复杂流动结构的机理，模化分析了流动堵塞/二次泄漏/尖部溢出叶尖泄漏流相关流动结构、三维角区分离/失速和激波/边界层干扰，深入研究了叶尖泄漏流动的控制技术（非均匀叶顶间隙和斜沟槽处理机匣等技术）、三维角区分离的控制技术（新可控扩散叶型设计方法、边界层抽吸、等离子体气动激励和叶根开槽等技术）和激波的前缘叶型优化控制技术。与此同时，为了促进上述复杂流动结构的机理、模化和控制研究，本项目深入研究了常用湍流模型对压气机内部叶尖泄漏流动、三维角区分离流动和激波/边界层干扰等复杂流动结构模拟的适用范围与局限性，针对上述问题改进了湍流模型、提高了预测精度，发展了高效、高精度的数值模拟方法，包括高精度WENO、基于非结构网格的低耗散动能守恒格式和DG方法、高精度低耗散的激波捕捉格式、显著提高关键流动特征预测精度的网格自适应方法、GPU加速方法和LES/RANS混合方法等，构建了适用于叶轮机械的高精度数值体系与多级压气机气动设计优化体系。.综上，本项目系统地研究了压气机内部复杂流动结构的流动机理、模化和控制方法，建立了一套有效的理论分析、模拟分析和优化设计系统，为提高我国先进航空发动机与重型燃气轮机的性能提供了理论和方法。