轴流跨音压气机内三维非定常旋涡结构时空演化机制探索

In an axial transonic compressor, the vortex structure in blade passages possosses a strong 3D-unsteady character by the influences of shock, wake and leakage. So the investigation of unsteady vortex strcture is very important both in theory value and utility value. In this project, the methods of theoretical analysis, numerical simulation and experimental measurement will be used to investigate the 3D-unsteady vortex structure. At first, the measurement of 3D-unsteady flow field in stater's passage of compressor will be carried out based on PIV. And the numerical simulation method will be checked out via the experimental results. Secondary, the unsteady numerical simulation of flow field in transonic compressor will be carried out. The 3D unsteady vortex structure mode in both stator's and rotor's passage in transonic compressor will be founded with the method of topological analysis. The law of influence and mechanism of vortex structure's evolution will be investigated which is interfered by the unsteady flow factors. At last, the relation between vortex structure evolution and compressor stall will be discovered to explain the compressers stall from the point of vortex structure. The production of this project will enrich the research systerm of unsteady flow in compressor. And a new method which is used to explain the reason of compressor stall based on vortex structure will be founded.

轴流跨音压气机中，由于激波、尾迹、泄漏等因素的影响，叶片流道内的旋涡结构具有强烈的三维非定常特性，而旋涡结构与压气机的损失和失速存在密切关系，因此对于压气机中非定常旋涡结构的深入了解具有重要的理论价值和指导意义。本项目采用理论分析、数值模拟和实验测量相结合的研究方法，首先开发基于PIV的三维非定常流场测试方法，以实验测量结果校验数值模拟方法；然后使用经过校核的数值方法进行跨音压气机内部流场的三维非定常数值模拟，引入拓扑分析的方法，建立跨音压气机叶片流道内的三维非定常旋涡结构模型，并揭示非定常干扰因素对旋涡结构时空演化的影响规律和作用机制；最后，将旋涡的演变规律与压气机失速相关联，尝试从旋涡演变的角度解释压气机发生失速的内在机理。本项目的研究成果将进一步丰富压气机内部非定常流动的研究体系，并提出一种基于旋涡结构演变的解释压气机失速产生的新方法。

轴流跨音压气机中存在着复杂的定常/非定常旋涡结构，深入、清晰地认识涡系结构的物理特征和作用机理有助于更好的研发高性能的发动机压缩系统。本课题采取实验研究、数值模拟与理论分析相结合的方法，对压气机内部的复杂旋涡结构开展了详细深入的研究工作。.课题组首先完成了低速/高速高负荷压气机叶栅的流场实验，结合相应的数值模拟，建立了高负荷压气机叶栅的定常与非定常旋涡拓扑结构，同时探讨了叶顶间隙对高负荷压气机叶栅流动性能的影响规律与作用机理。另外，通过分析叶栅流动的分离特征和损失机理，采用附面层抽吸的方法，有效控制了叶栅内部的流动分离，显著减小了叶栅内部的流动损失。.其次，课题组完成了跨音压气机内部的旋涡结构研究。先通过跨音压气机性能实验，获得了跨音压气机的特性曲线，并以此为基础，通过数值模拟，建立了跨音压气机流道内的定常与非定常旋涡结构，探讨了非定常干扰因素对旋涡结构的影响规律，揭示了跨音压气机失速工况的旋涡拓扑特征。.最后，通过对跨音压气机内部详细流动结构的剖析，结合叶栅中附面层抽吸控制方法的启发，对跨音压气机进行了简单的附面层抽吸控制研究，结果表明合理的抽吸方案可以明显改善压气机的失速裕度，同时获得一定的性能收益，这一研究成果将为未来高负荷跨音压气机的研发提供一种新的设计与优化思路。