● 摘要
叶轮机气动弹性问题一直是制约航空发动机发展的一个瓶颈问题之一。正因为如此，探讨叶轮机流固耦合的机制，进而为叶轮机设计提供可靠的、基于完全流固耦合的预测模型历来是深受重视的研究方向之一。但是，现有的方法还很难真正达到这些要求，其原因在于复杂几何的运动界面网格重构以及如何实现全耦合是至今尚未完全解决的问题。因此，寻找新的方法、新的思路去克服这些困难就显得日益重要。基于以上的认识，我们应用浸入式边界方法从一种全新的角度来研究机翼/叶栅的气动弹性问题，希望它能成为解决流固耦合问题的可能途径之一。具体地讲，论文工作主要工作和结果如下：（1）发展了基于算子分裂方法的N-S方程非定常算法，通过圆柱绕流、扑翼运动、静水振荡圆柱等给定运动规律的算例证明了对流场细节捕捉能力。通过两自由度振荡圆柱这一自由运动算例的良好对比，进一步验证了算法的可靠性和鲁棒性。（2）运用经过验证的计算模型研究了振荡机翼/叶栅的气动弹性稳定性问题，不仅发现了实验中经常出现的极限环振荡、模态跳跃和频率锁定等典型的非线性振动现象，还发现折合速度 是一个影响稳定性边界的敏感参数，同时可作为气动弹性稳定性的判据。此外，本文还进一步研究了叶片间相角对系统稳定性的影响。（3）针对高雷诺数复杂几何界面问题，结合Spalart-Allmaras湍流模型发展了定常算法，通过结冰/干净的NACA0012机翼绕流问题验证了算法，与前人的实验结果获得了良好的一致性，并对浸入式边界方法在三维计算的应用也进行了深入的讨论。（4）设计和搭建了平面振荡叶栅实验装置。实验平台具有系统固有频率可调且易于实现、测量方便和不影响流场等特点。实验结果表明加入壁面处理对叶片颤振特性有一定的影响，在某些频率下可以在一定程度上抑制叶片的颤振。