高负荷轴流压气机端壁造型对二次流动的影响研究

端壁造型因其对高负荷轴流压气机端区二次流动及气动性能的重要影响和有待挖掘的重大潜力，成为流动控制技术研究的一个重要方向。本项目将利用数值模拟、全局数值寻优和实验测试手段，开展高负荷轴流压气机端壁造型对二次流动的影响研究，重点关注端壁几何的改变对泄漏涡和角涡等二次流动的发生、发展和彼此相互干涉的影响机理。数值模拟的关键在于，使用高保真贴体网格和可模化端区流动的分区湍流模型技术来准确模拟端区复杂二次流动的结构及其演化规律。利用全局寻优方法，主要研究优化端壁造型有效影响端区二次流动和控制端区流动损失的内在机理及其典型几何特征。采用PIV方法测量端区瞬时流场分布，同时，采用总静压探针和流动显示等手段测量内部损失分布和端区二次流动结构。把实验测试与数值模拟结果进行细致对比，分析端壁造型对端区二次流动的影响，重点研究端壁三维几何造型有效组织压气机内部流动和控制端区流动损失的作用机理。

随着级气动负荷的日益提高，其内部流动环境也愈加恶劣，近端壁区易产生大量二次流动，并存在流动失速的危险。端壁造型因其对高负荷压气机端区二次流动及气动性能的重要影响和有待挖掘的重大潜力，成为流动控制技术研究的一个重要方向。目前，端壁造型技术在涡轮中的应用已经成熟，由于压气机的逆压环境，导致该技术在压气机中的应用较为困难。本项目工作主要围绕端壁造型的数值优化及其对风扇/压气机性能的影响展开。. 首先，对高保真网格生成技术及分区湍流模型进行了完善和适应性改进。使考虑端壁复杂边界情况下，数值模拟的精度得到进一步改善。.其次，对端壁造型的参数化定义方法进行了研究。基于以往造型方法的对比分析，针对轴对称端壁和非轴对称端壁分别提出了不同的参数化方法。轴对称端壁采用B样条曲线定义生成；而对于非轴对称端壁本文提出了两种定义方法：三角函数控制曲面法和离散点控制B样条曲面法，并对两种造型方法进行了对比分析。. 然后，对端壁优化方法进行了研究。基于本课题组发展的自适应遗传算法及人工神经网络响应面模型，结合正交试验设计、端壁参数化定义和流场数值模拟技术实现了对压气机端壁的自动全局优化。采用正交试验对设计变量进行分析，并为响应面提供初始训练样本。这种方法不仅具有良好的全局寻优能力，而且在一定程度上克服压气机流场数值模拟耗时的问题，有利于加快优化速度。本文通过不同测试函数验证了该优化方法的有效性。. 基于上述方法对压气机叶栅和过渡段端壁进行了优化。对压气机叶栅端壁进行了非轴对称优化，目标函数为最小化叶栅出口总压损失，优化状态点为0°攻角。优化结果显示，造型后叶栅出口总压损失降低27.8%，静压升提高19%。该端壁虽然在0°攻角状态下得到，但在其它攻角范围内仍具有良好的气动性能。对于压气机的过渡段，首先通过实验结果对数值软件进行了考核，在此基础上分别对具有较大曲率的过渡段进行了轴对称和非轴对称端壁优化。结果表明，轴对称和非轴对称端壁造型技术均能够抑制角区，改善内部流动，从而降低过渡段总压损失，其中非轴对称端壁取得的效果尤为明显，通过对轮毂和机匣的造型使出口总损失降低32.7%。. 最后，对光壁叶栅和非轴对称叶栅进行了初步实验测试，对本项目优化设计所得的优化端壁进行验证。