题目：叶轮机非定常气动设计核心技术探索

交错排列、相对运动的转/静叶排决定了叶轮机内部复杂流动的非定常本质属性。随着人们对高负荷、高效率、宽裕度、小振动、低噪声、高紧凑性、高可靠性先进叶轮机的不懈追求，叶轮机流动固有的非定常属性越来越强烈以致于不容忽略；另一方面，近二十多年来计算流体力学(CFD)和计算机技术的飞速发展以及对定常、非定常流动现象认识的不断丰富，使得更全面考虑非定常影响成为可能。非定常气动设计已成为叶轮机气动热力学领域的研究热点和重要发展方向。 本文叶轮机非定常气动设计核心技术探索，针对叶轮机非定常气动设计这一前沿方向，在回顾、总结叶轮机气动设计技术发展历史及叶轮机非定常研究状况基础上，主要开展了下述四个方面研究工作：一、从分析叶轮机气动设计体系发展入手，指出非定常气动设计是进一步提升叶轮机性能的历史机遇，尤其是在开展叶轮机气动、气弹、噪声、传热等多目标一体化设计中更彰显非定常气动设计的特殊地位和价值。针对叶轮机非定常气动设计内涵，根据叶轮机定常设计要素过程的类比分析以及对现行定常设计缺陷的认识，逻辑地推断出叶轮机非定常气动设计应关注两方面技术：一是保证非定常流动环境下叶片基元具有良好性能的非定常流型技术；二是保证非定常流动环境下叶片基元展向积迭后叶排及多排叶轮机具有满意性能的缘线匹配技术。进而提出：非定常流型与缘线匹配可能是叶轮机非定常气动设计的两个核心技术。二、运用数值方法进行了非定常流型的初步研究。使用Fluent商用CFD软件，以给定非定常进口边界模化各种上游来流条件，模拟了涡轮、压气机典型基元叶栅定常与非定常流动。初步研究表明：在进口边界时均等价的条件下，非定常叶栅流动比定常叶栅流动产生更多损失；非定常叶栅特性存在“滞回”现象，而且频率越低，这种滞回就越严重；轴向非定常脉动严重影响叶片受力情况，威胁叶轮机运行安全。三、提出并详细阐述了叶轮机非定常气动设计的缘线匹配新的设计自由度及其应用方法。缘线匹配以处理叶轮机相邻叶排间前排叶片尾缘线与后排叶片前缘线空间相位位置关系为手段，其实质是考虑非定常流动相位的流向和展向匹配影响。缘线匹配具有通过沿展高调协叶轮机相邻叶排非定常流动相位关系实现气动、气弹、气动噪声和热传导性能全方位、多目标优化潜力，为叶轮机非定常设计提供了新的设计自由度。根据计算能力和问题需求不同，提出缘线匹配的两类实施方法：基元流动展向积分方法和全优化方法。分析表明：包括掠、弯在内的定常气动设计技术，以及利用“时序”和“沉寂”效应的非定常气动设计技术在缘线匹配框架下将更趋完善。四、采用数值模拟初步验证叶轮机非定常气动设计的缘线匹配技术。以新设计工程实用的某单级跨音轴流压气机和单级轴流透平为研究对象，使用NUMECA软件分别演示和验证基元流动展向积分方法和全优化方法。结果表明：只要满足时均性能基本不变这一假设条件，基元流动展向积分方法就能够以较少的计算量处理涉及性能脉动的非定常气动设计问题；全优化方法则可以同时处理时均和脉动性能问题，缺点是计算量过大。缘线匹配能够帮助实现各项性能折衷优化的最佳叶轮机设计。本文紧紧围绕叶轮机非定常气动设计技术而展开，主要亮点包括：（1）提出缘线匹配是叶轮机非定常气动设计新的自由度；（2）给出叶轮机非定常缘线匹配两种应用方法：基元流动展向积分方法与全优化方法；（3）在新设计的轴流压气机、轴流透平中应用缘线匹配实施非定常气动设计，以展示叶轮机定常气动设计过程和验证缘线匹配非定常气动设计技术。本文是建立叶轮机非定常气动设计体系所做的努力，目标是促使叶轮机非定常气动设计早日走向工程实用。