● 摘要
现代航空涡扇发动机的推重比不断提高，要求风扇/压气机具有更高的级负荷，而分离流是制约风扇/压气机性能提高的主要原因。因此，本文开展了叶片开缝方法对流动分离控制作用的研究，以进一步了解开缝方法在流动分离控制中可发挥的潜力以及如何设计开缝方案使分离流得到最有效控制，为开缝叶片的设计提供理论依据。本文依次选择相对开缝位置、开缝角度和缝隙宽度作为变量来设计开缝方案，数值模拟了无缝叶栅和不同方案开缝叶栅中的二维流动，通过叶栅气动参数的比较，找到了最佳开缝方案。对复杂流动的理解和控制的本质是找到涡量产生的根源，因此本文引入边界涡动力学中的边界涡量流（BVF）诊断方法，对叶片吸力面上的BVF分布做了比较分析，便捷地确定了最佳开缝方案，并从涡量产生过程的角度解释了叶片上开缝使流动分离得到有效控制的原因。进一步地，本文在低速环形叶栅实验台上进行了无缝叶栅和两种开缝叶栅的气动性能实验，对比分析了同一叶型弯角下三组扩压叶栅的气流转角 和损失系数，验证了叶片开缝方法对控制流动分离有显著作用，并进一步分析了开缝方案的设计准则。本文的研究工作表明：⑴ 叶片开缝方法是一种非常有效的流动控制方法。对于数值模拟中的高负荷风扇静叶叶型，最佳开缝方案下叶栅的扩压能力提高了12.5%，同时损失减少了19.7%；对于实验中的扩压叶栅，在叶型弯角很大，分离严重的情况下，最小缝宽 1.5mm的开缝叶片使气流转角增大了8°左右。⑵合理的开缝方案下，叶片吸力面上BVF的正峰值减小，正的BVF值在更大的面积上重新分布。这种分布能够在更长的流动距离内保持流动附着。⑶在开缝方案的设计中，缝隙的出口位置应该在分离点上，要保证缝隙出口气流方向与主流区气流方向一致，这种方案能够从源头上控制分离的发生和发展，并且缝隙气流与主流的掺混损失较小。缝隙宽度则要根据具体情况而定，既要保证缝隙气流能够有效控制分离，又要将损失控制在合理范围。