论文摘要：均匀/畸变来流条件下压气机气动稳定性的机理探索

压气机气动稳定性在航空发动机设计中占据着十分重要的地位。半个多世纪以来，研究者对压气机气动稳定性问题进行了大量工作，也出现了多种研究方法和理论。但是，由于压气机内部流场的复杂性和高度非定常性，研究者对压气机气动稳定性问题的本质依然没有完全理解，尤其是针对压气机在均匀/畸变进气条件下失速过程中关键流场结构的认识。基于以上问题，本文以课题组中J69高负荷跨声速压气机单转子为研究对象，以全周非定常数值模拟方式为主体，并结合失速过程的实验结果展开了以下工作：
首先，揭示了压气机正常工作状态，转子叶尖“旋转不稳定”（Rotating Instability，RI）现象流动机理。文中推导了信号频谱特征在转子相对坐标系与绝对坐标系中的转换关系。研究了在近失速状态，转子坐标系下单个叶片通道内叶尖泄漏涡自身的非定常流动特征，进而发现相邻叶片通道内的叶尖泄漏流相互干涉，最终形成周向波长大于1个栅距的流场结构。该流场结构的形成及周向传播导致绝对坐标系下观测到“旋转不稳定”（RI）现象。针对本文所研究的压气机转子，跨声速情况时（98%设计转速），叶尖区流场单元周向尺度为2~3个栅距，并且周向尺度不随流量而变化；高亚声速情况时（65%设计转速），转子叶尖存在着数目变化，周向尺度变化的多个RI扰动。
随后，通过实验测试验证了J69单转子在均匀来流情况下的失速类型；进而通过全周非定常数值模拟方法，研究了叶尖RI扰动与失速先兆、失速团之间的关系，探索了转子发生失速的流动机理，重点分析了失速过程中压气机内可压缩流形成的流场结构。研究发现：针对本文所研究的压气机单转子，均匀来流时由叶尖区Spike扰动诱发旋转失速。跨声速情况时，叶尖区Spike扰动由RI扰动发展而成。高亚声速情况时，失速扰动则主要来源于叶尖泄漏涡和叶片吸力面分离涡。
最后，本文分析了畸变来流对压气机失稳过程的影响。本工作采取在全周计算域进口截面设置周向总压畸变边界条件的方式研究该转子在畸变来流情况下的流场结构。研究发现：相比于RI小扰动的幅值，畸变区形成的低阶扰动波是周向大幅值扰动，因此，畸变来流情况下叶尖流场中并未探测到显著的RI扰动信号。针对本文所研究的压气机转子，周向总压畸变使其失速类型由均匀来流时的Spike型失速转换为由畸变区导致的低阶扰动波诱发失速。
需要指出的是：虽然均匀和畸变来流情况下，该转子产生失速扰动并最终发展成失速团周向传播的过程不同；但是，对于某个确定的叶片通道内的流场来说，其失速机理具有一致性：叶尖前缘的“径向涡”结构对叶尖区域造成的堵塞是形成压气机转子失速扰动的最初来源；失速叶片通道内的流场结构与均匀来流下该转子发生Spike型失速时的流场结构相似——“前缘溢流”和“尾缘倒流”现象同时出现。

 

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