免费论文：叶轮机流动稳定性通用理论与非定常机匣处理扩稳研究

如何预测风扇/压气机失稳边界以及如何改善失速裕度是目前国内外叶轮机设计人员所共同面临的最迫切需要解决的两个重大问题，同时也是当前叶轮机械气动热力学研究中最重要的学术方向之一。为了预测失速裕度，研究人员开展了若干稳定性解析模型和数值计算研究。目前的解析模型中采用大量几何和流场简化，应用很多经验关系，严重制约了其在实际设计过程中的广泛应用；而数值计算方法虽然能够考虑更多的失速物理细节，但需要大量的计算资源消耗，并且不能给出清晰的稳定性判据。对于扩稳研究，主动控制方式虽然在实验室中取得了一定程度的成功，但是依然难以在工程中快速可靠的应用。目前，以机匣处理为主的被动控制方式能够取得良好的扩稳效果，但大多依赖于经验设计，尚不存在任何完整的指导理论。本文紧紧围绕压气机流动稳定性这一主题，开展了理论和实验两方面的研究工作，旨在完善现有压气机设计体系，增加稳定边界预判和扩稳设计两个重要环节。本文从最基础的N-S方程出发，提出了应用于叶轮机内部流动失稳问题的通用稳定性理论，将一般的流动失稳开始问题转化为系统特征值方程，并结合实际物理问题需要，给出各种层次的简化方案。针对风扇/压气机现有设计体系，提出基于子午流面流动的稳定性模型的建立方法，构建体积力对于当地流场状态量的响应函数，以此模化叶片对于流场的转折力和损失力作用，最终构建压缩系统特征频率方程。针对流动稳定性问题的数学求解中普遍遇到的困难，本文详细对比了现有各种数值解法的优劣，最终选择分区谱方法和奇异值分解方法相结合，求解包含大型矩阵的特征值方程，通过一维和二维简单求根算例验证了所发展的数值解法程序的计算精度和效率。接下来，本文针对中科院某低速压气机、NASA Rotor 37以及Stage 35开展了大量的算例验证，通过与实验结果对比，证明了所发展的通用稳定性理论适用于低速、高亚音、跨音的单排或多排压气机失稳边界预测，计算精度较高。本文还发展了一个基于子午面任意流线的流动稳定性简化模型。针对一台低速压气机，本文采用了该简化模型和子午面流动稳定性模型分别计算失稳边界，通过特征频率计算结果对比，证明了主流径向分布对稳定边界的重要影响。针对跨音高负荷转子NASA Rotor 37在高低转速两个情况，通过采用可压缩模型和不可压模型计算结果比较，本文定量地研究了扰动压缩性对于高亚音和跨音流动稳定性预测精度的重要影响。结果表明：对于高亚音流动，忽略扰动的压缩性对失稳点流量判定误差的影响不大，但计算的扰动传播速度偏低；对于跨音流动，扰动的压缩性对失稳边界判定至关重要。在扩稳方式研究方面，本文应用波涡相互作用原理，解释了一种由气室和穿孔板组成的非定常机匣处理扩稳机理。首先，求解了环形区域的三维流场扰动的解析解，将转子和静子叶排分别模化为激盘，应用模态匹配法将各个无叶片区域扰动解进行界面匹配，最终构造了风扇/压气机流动压缩系统的特征值方程，通过算例验证了该光壁稳定性模型的计算精度。之后，结合等价分布源方法和传递单元法，将机匣处理的数学模型代入三维可压缩稳定性解析模型中，研究压缩系统稳定边界对机匣参数的敏感性。两个算例计算结果表明：对于光壁失稳点，可以通过调节该种机匣处理结构参数和偏流马赫数，使得不稳定工作点转变成稳定状态，理论上证实了这种机匣处理的扩稳效果。最后，本文开展了非定常机匣处理的扩稳实验，进行了机匣处理扩稳的结构参数研究。实验中发现：采用这种开孔率仅为3%~7.5%的非定常机匣处理，可以实现整个工作转速范围内4%~5%的流量裕度提高，并且可以保持效率不受影响。通气偏流对非定常机匣处理的扩稳效果有较大提高。作者认为：通过选定合适的非定常机匣参数，可以实现风扇/压气机效率和裕度的兼顾。本文还开展了带有某型非定常机匣处理的节流动态实验，通过与光壁机匣实验对比，证实了这种机匣处理能够有效地抑制失速先兆波的非线性放大，推迟流动失稳的发生，从而实现压气机稳定工作裕度的改善。

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