基于压气机转子/静子非定常相互作用物理机制的确定应力建模研究

多级压气机内存在着固有的非定常流动，对压气机的性能有着重要的影响，在设计过程中需要准确预测，而非定常CFD技术由于计算耗费太大无法应用于工程实际。Adamczyk建立了在定常框架下通过引入确定应力计入非定常作用的通道平均方程系统，但也带来了封闭难题，确定应力建模成了关键所在，具有重要的科学意义和工程意义。.本课题采用实验测量、数值计算和理论分析相结合的方法，研究压气机内各典型上游流动结构与下游叶排相互作用的机理和效应，分析压气机内部的转子/静子间的复杂非定常相互作用的主要物理机制；结合物理机制，深入分析压气机内部的确定应力场的分布规律和特性，详细研究确定应力对时均流场的影响特性；基于以上研究，建立计入压气机转子/静子非定常相互作用主要物理机制的确定应力模型，从而在定常框架下有效提高对多级压气机的计算精度和可靠性。

本研究旨在发展定常框架下计及转静干涉的数值模拟方法，进一步提高多级压气机定常数值模拟的精度，同时力求计算耗费小，具体包括以下几个方面的内容：.1. 本部分首先利用了课题组的低速大尺寸压气机试验台和先进SPIV测试技术各自的优势，采用实验方法对静子通道中的非定常流场进行了详细的测量研究；结合经实验校验的非定常数值模拟，获得丰富的非定常流场信息，为转静干涉机理研究和数值方法发展研究提供数据支撑。.2. 在Denton程序基础上，基于Adamczyk的通道平均方程思想，在Rhie的连续界面法框架下发展了可以考虑转静干涉效应的时均流动数值模拟程序，为开展多级压气机时均流动模拟方法研究提供了平台。通过对程序的计算网格、控制方程组的时间/空间离散、定解条件以及加速收敛技术等数值方法的改进，进一步提高了程序的准确性、收敛性和适用性。.3. 分析了压气机中确定性相关项的周向和轴向分布特点，以及交界面处“空间代时间”建模方法的精度；着重研究了下游叶排进口参数周向分布、确定性相关项的周向分布、确定性相关项中的确定性应力和确定性总焓通量对时均流场的影响，为确定性相关项的建模提供了指导方向。.4. 提出了一种新的转静交界面处理方法，解决了时均方程方法中耦合确定性相关项时遇到的交界面处理难题。通过添加压力通量守恒的限制，大大减小了交界面处理方式引入的误差，可以得到与非定常时均基本一致的结果，从而为通道平均方程方法的实际应用创造了条件。.5. 提出了工程实用的确定性相关项指数衰减模型，该模型适用范围广、计算耗费小及具有较高的精度。NASA67跨音风扇第一级和某高压压气机前两级的校验结果表明，该方法有效地提高了多级压气机总特性和级间参数的计算精度；计算时间仅比定常掺混面方法增加不到1%。.6. 鉴于低速台静子通道内大尺度角区分离，使得常用湍流模型无法获得收敛结果，对SA模型进行了改进研究。提出了关联当地螺旋度计入湍流能量反传物理机制改进湍流模型的方法，既解决了收敛问题，又提高了SA 模型预测压气机三维角区分离流动的精度。