叶轮机械非定常涡量场时空结构的空间尺度疑题

叶轮机械内部复杂的旋涡流动及其强烈的非定常相互作用是影响其性能和流动稳定性的主要原。申请人在低速压气机和跨声速压气机试验中发现：在一定条件下，压气机内部涡量场可从一种无序的、混沌的流动状态朝向有序的、健康的流态转换，从而获得性能和稳定工作范围的大幅度提升（低速压气机效率和失速裕度最大可提高1.53%和24.9%；跨声速压气机效率和失速裕度最大可提高0.8%和19.86%）。但是，对于非定常涡量场时空结构转化的流动机理研究，仍然存在如下核心科学疑题，即实现涡量场流态转化的基本物理条件是什么？二者在时间尺度和空间尺度上存在什么样的有效关联？本项目正是针对这一疑题，在已经获得的实验结论基础之上，从分析压气机内部非定常涡量场的频率特性（时间尺度）和涡旋特性（空间尺度）出发，在时间尺度和空间尺度上建立有效关联，并提出实现叶轮机内部非定常涡量场时空结构转化的基本物理模型，为叶轮机械的设计提供理论支撑。

叶轮机械内部复杂的旋涡流动及其强烈的非定常相互作用是影响其性能和流动稳定性的主要原因，上游尾迹与下游边界层发展及边界层分离之间的耦合关系对其流动损失有着重要的影响。项目研究针对这一核心问题，完成了四个方面的研究工作：（1）尾迹-边界层相互作用的理论建模：基于尾迹与边界层的“负射流”效应，从边界层积分方程出发，发展了尾迹-边界层耦合作用模型，建立了尾迹扫掠频率、尾迹幅值与下游边界层发展及边界层分离损失之间的物理联系；（2）模型的数值验证：基于2D叶栅几何模型，对上述理论模型进行了验证，数值结果与模型预估结果基本一致，验证了模型的可行性和正确性；（3）转动部件动态测试技术研究：为了研究转动部件的非定常分离流动的动态特性，发展了基于当地存储的转子部件动态测试方法，能够实现叶轮机转子部件非定常流动特性的动态测量；（4）压气机转子部件非定常模型的实验验证：在某低速压气机试验台，利用模型所建立的尾迹与边界层分离流动在时间尺度、空间尺度之间的物理关系，调整上游叶排尾迹扫掠频率和尾迹相对幅值与下游转子非定常分离之间的耦合关系，完成了对模型的实验验证。.通过上述工作的开展，较为系统的完成了理论建模、验证方法探索和模型的数值及实验验证，揭示了尾迹频率、尾迹幅值与下游边界层分离之间实现耦合的空间尺度及时间尺度的物理联系。结果表明：当无量纲尾迹频率为1.0，尾迹相对幅值为35%时，可有效的抑制边界层分离，提高压气机时均性能和稳定工作裕度。