一种无外接气路微脉冲射流削弱压气机气流分离的方法研究

高性能航空发动机为了实现更高的推重比，需要压气机大幅度提高级压比。在转动线速度已接近材料强度极限的情况下，增大级压比将使叶轮转折角（或逆压梯度）达到引发气流分离的程度。为此，叶轮内流中引入流场控制技术来削弱气流分离成为了当前的研究重点。本项目提出脉冲引气微射流器的概念，其利用叶盆叶背压差产生频率可控、速度与主流可比的微脉冲射流。相比于吸附技术、合成射流等控制分离，具有无外接气路、结构重量轻、控制分离潜力大等优点。拟采用大涡模拟CFD技术，分析脉冲射流抑制两类压气机分离（亚音速叶背分离和跨音速激波诱导分离）的机理，并构造可抑制分离的微脉冲射流原理方案（恰当的射流位置、射流频率和射流强度）。采用MEMS装置研制一个原理型微脉冲射流器，进而研究这类脉冲射流器与分离区压力非定常波动的耦合作用。在此基础上，将微型化后的脉冲射流器安装在叶栅中，通过平面叶栅风洞实验验证该技术改善叶栅性能的效果。

推重比是现代高性能航空发动机的重要指标，为实现该目标，作为发动机核心部件的压气机必须提高其级压比。在不显著提高转动线速度的情况下，引入流动控制技术抑制高负荷情况下的气流分离成为当前压气机技术发展的重点。本研究提出了一种无源引气微脉冲射流控制的概念，旨在利用流动本质上的不稳定性控制流动分离，在达到与定常射流相同控制效果时能量输入较小，同时大大简化流动控制装置的结构。研究主要包含以下几方面工作：.1、本研究选用LES模型数值模拟研究了不同频率、位置、角度及强度等状态下脉冲射流控制效果，激励频率为涡脱落频率时流场与激励产生共振，流场达到了相对有序的状态；分离点位置对应着最佳射流位置，随着射流位置逐渐远离分离点，射流控制效果逐渐减弱；最佳射流角度为15°；合适的射流强度下，流场与脉冲射流相互耦合达到时空同步。.2、结合无源微脉冲射流控制技术，考虑工程实际，构建三种压电陶瓷驱动式脉冲射流器；选择原理型脉冲射流器试验，分析高频状态下瞬时出口总压低于进口总压现象的物理机制，探索不同转速及压力状态下射流器出口速度波形特点，提出脉冲射流控制的强度锁定效应，总结高频微脉冲射流器流动特征规律。.3、研究了叶栅脉冲射流器与分离区压力非定常波动的耦合作用，高亚声速状态时扩压叶栅叶盆叶背较大的静压差产生明显的脉冲射流，射流波形主要受流道的周期性开关影响；有效频率的脉冲射流作用下，叶栅相对总压损失系数有所降低，叶片表面压力系数明显提升。.4、基于平面叶栅实验平台的无源脉冲射流研究表明：在分离涡主频85%-120%频率范围内，控制效果最为明显；相比于定常射流控制方式，无源脉冲射流引气量小，大幅降低了引气对压力面流动特征及叶栅总体性能的影响，且数值模拟的参数规律与实验的趋势相同。.5、基于非定常分离流动特性及脉冲射流控制特点，建立非线性动力学模型，引入最大 Lyapunov 指数分析总体控制效果，分析表明适当激励频率可以使系统由混沌状态向周期轨道转变；有效控制时流场内大部分质点运动趋向于平直流模式，且与激励强度相关，宏观状态表现为流场更加有序。.6、采用POD方法分析非定常流场数据并获得了一阶模态表征平均流、二阶及其余各阶表征不同尺度涡系的物理含义，研究指出非定常流动控制基于流场内涡系结构的非线性作用，重新分配各阶模态之间的能量，有选择性的强化或削弱某阶模态。