题目：处理机匣的数值与实验研究

做为一种被动扩稳手段，处理机匣能够有效地扩大压气机的失速裕度。但处理机匣的扩稳机理目前仍没有清晰一致的认识，处理机匣的设计仍主要依赖于经验和试验。为此，以某轴流跨音风扇转子为应用对象，本论文通过数值和实验方法对带气室斜槽处理机匣的扩稳机理进行了分析研究，并提出了基于数值模拟的处理机匣优化设计的方法。

首先，对跨音转子在实壁情形下进行了三维定常RANS数值模拟，确认了转子失速是在叶尖发生。基于叶尖流场中静压和泄漏流所致堵塞的分布，设计了一个带气室轴向斜槽处理机匣，做为后续研究的基准处理机匣。通过在北京航空航天大学跨音压气机实验台上对基准处理机匣进行了测试验证。在98%、80%和60%转速，基准处理机匣使得转子失速裕度显著增加，分别从实壁情形下的25.7%、33.1%和34.4%增加到74.0%、96.2%和103.9%，但峰值效率有0.6%、2.4%和2.1%的下降。基准处理机匣达到了设计目的。

其次，通过三维非定常RANS数值模拟，分析了基准处理机匣的扩稳机理，认识到处理机匣与叶片通道之间的交换流动是处理机匣影响叶片通道主流的主要作用机制。交换流动使低能流体经处理机匣重新返回叶片通道，再次或多次经历叶片做功过程，从而获得足够能量抵抗逆压梯度流向下游，这是处理机匣扩稳的主要原因。同时，交换流动能削弱叶尖泄漏流及其造成的流动堵塞，抽吸叶片吸力面和端壁边界层中的低流向动量流体并抑制其堆积，跨音工况时能使通道激波向下游移动。这些也是处理机匣扩稳的重要原因。此外，处理机匣引入的损失来自于交换流动中返回叶片通道的流体与主流的掺混损失、处理机匣内部的流动损失以及在循环做功作用中流体所积累的损失，其中掺混损失占主要部分。在处理机匣情形下，转子失速仍在叶尖发生，但导致失速的主要原因为叶片吸力面边界层中低流向动量流体在叶尖堆积形成的流动堵塞。这是因为处理机匣改善叶尖区域流动的同时使低叶高部分分配的流量减小，攻角增加，叶片吸力面边界层增厚，其中的低能流体受离心力作用向叶尖迁移并堆积于叶尖吸力面附近。

最后，提出了处理机匣的结构参数化方法，并以基准处理机匣结构参数为基准，采用前期发展的处理机匣流动模型方法，对各结构参数进行了大量的数值模拟分析。统计结果表明，通过结构优化可以增强处理机匣扩稳作用的同时改善转子效率。根据数值模拟结果，建立了各结构参数与失速裕度和转子峰值效率的关联关系，并据此完成了处理机匣的优化设计。经实验验证，优化后的处理机匣在98%、80%和60%转速获得的失速裕度分别为103.7%、120.7%和116.7%，同时还改善了转子效率，比实壁情形峰值效率提高了0.3%、1.4%和0.5%。这表明采用基于处理机匣流动模型的数值方法优化处理机匣结构是可行的。此外，在实验中考察了槽数的影响：槽数少的处理机匣的扩稳作用较强，但会带来较大的转子效率损失，反之则扩稳作用减弱，但转子效率更高。