尾迹扫掠下前缘形状影响高负荷压气机附面层特性的实验研究

For pursuing higher thrust-to-weight ratio, it is the trend to reduce the stage number of compressor in the advanced aero-engine. This drives the compressor blade loading becoming higher, and the adverse pressure gradient along the blade surface continually increases. In addtion, the blade chord Reynolds number is very low when the UAV cruises at high altitude. Both the two factors make the blade suction surface easier to separate, and the profile loss increases greatly. The leading-edge region is particularly important in compressor blade rows since the initial development of the boundary layer at the leading edge influences the boundary layer over the rest of the blade surface. In addition, there is one unsteady flow phenomena due to the relative movement between rotor and stator in the compressor passage. The wake-passing influences the boundary layer developping by interacting with the blade leading-edge. Basing on the mechanism of the wake-passing/blade leading-edge interaction affecting the separation and transition of boundary layer, it is useful to optimize the parameters of wake and tailor the leading edge for elevating the performance of blade. It supplies the high-loading compressor blade design technology for the next generation engine with high thrust-to-weight.

现代先进航空发动机，为了追求更高的推重比，减少压气机级数已经是必然的趋势，这促使压气机叶片向高负荷的设计方向发展。叶片吸力面逆压梯度不断地增加，再加上高空巡航状态下压气机进口叶弦雷诺数较低，高负荷压气机叶片内常常存在着吸力面附面层流动分离，致使叶型损失急剧增加。叶片前缘是吸力面附面层的起始位置，其几何形状直接影响着附面层的拓扑结构和发展状况。另外，在压气机叶排中存在着一类以上下游叶排尾迹、势流的相互干涉为特征的固有非定常流动，且在压气机叶排中尾迹扫掠通过与叶片前缘相互作用影响叶片表面附面层的发展。结合上游尾迹周期性扫掠与叶片前缘相互作用对高负荷压气机叶片吸力面附面层分离及转捩过程影响机制的认识，通过优化配置上游尾迹，适当选择叶片前缘形状，实现对吸力面附面层的调控，借助二者的耦合作用最大限度地提高叶片性能，为下一代高推重比发动机的高负荷压气机的设计提供基础性技术支撑。

前缘作为叶片表面附面层的起始位置，其形状影响着前缘附近附面层的动量厚度，从而使得附面层转捩位置发生相应改变，影响前缘后附面层的发展。本项目以不同叶片前缘形状的高负荷叶片为研究对象，开展了以下几方面的研究工作：（1）定常来流下，叶片前缘形状对高负荷压气机附面层特性的影响;（2）尾迹扫掠下，高负荷压气机叶片附面层的非定常特性;（3）尾迹扫掠下，叶片前缘形状对高负荷压气机附面层特性的影响。得到以下几方面的结论：（1）圆弧前缘在切点处曲率发生阶跃式减小，易发生前缘分离，而椭圆弧前缘由于曲率过渡平滑，其除在大攻角工况下均未出现前缘流动分离，相同工况下，椭圆型前缘的分离泡尺度小于圆弧型前缘叶型；（2）前缘分离促使流动在叶型前缘发生转捩，转捩过程由两种流动不稳定机制主导：T-S 粘性不稳定性和K-H 无粘不稳定性；（3）叶型前缘分离转捩有三种方式：（a）前缘分离转捩后重新层流化、（b）在（a）发展为层流后发生新的附着流动转捩、（c）分离流动直接转捩为湍流，并保持这一状态流向下游；（4）随着雷诺数和湍流度的提高，前缘分离转捩方式按照a-b-c的顺序变迁，对叶型中部分离起始位置影响不明显，但使得再附位置向上游迁移，分离泡尺度减小；（5）圆弧前缘叶片的总压损失较椭圆前缘叶片大，在Re =1.25×105工况下，总压损失小了约36.4%，且总压损失随雷诺数和湍流度增大而减小。（6）在非定常工况下，上游尾迹在原有的分离转捩上游触发尾迹诱导转捩，抑制了分离，另外在没有尾迹作用的时空区域，分离泡的尺度也会比定常工况小，从降低了叶型损失；（7）任意一种叶型在不同工作状态下都有最优的折合频率使叶型损失最小，提高折合频率会提高附面层的速度脉动能量，扩大附面层的不稳定性，促进转捩的提前发生。.综上所述，基本完成了项目的研究内容，理解和掌握了叶片前缘形状对叶片性能的影响机理，为进一步开发低雷诺数下高负荷叶片奠定了理论基础。