● 摘要
航空发动机二次流空气系统中，在流路上的流体与旋转部件相互作用而造成的损失，称为风阻损失。风阻损失消耗涡轮部件的轴功同时流体发生耗散温升，从而降低了发动机整机效率，如何准确计算及降低风阻损失将是发动机空气系统优化设计中的重要环节。本文利用数值模拟与实验相结合的方法，对有中心叠加通流的转静系模型进行研究，建立新实验台分别测量了风阻扭矩以及温升两种风阻损失的形式，实验模型由简至繁包含自由盘，开式转静系以及封严转静系三个模型，同时研究了附有凸起转盘的风阻损失，凸起结构为六角螺栓，立方，圆柱以及对称叶型几种形式，流动参数涵盖了旋转主导以及通流主导两种盘腔流动特征。
针对转动部件的扭矩测量，本文设计特殊的实验装置实现了将转动部件扭矩通过静态扭矩仪测量。实验结果分析中，利用无量纲扭矩系数表征转盘扭矩特性，利用湍流参数表征盘腔内旋转以及通流两者相互作用的关系，利用无量纲温升系数定量分析风阻温升效应。通过分析得到如下结论：
自由盘模型，将本实验测量得到的扭矩系数与公开发表文献中经典的经验关系式相比较，较好的符合度表明本文转动部件扭矩静止化测量方法有着较高的准确度，为后续研究奠定了基础。在本文测试范围内，粗糙壁面转盘扭矩系数可达到气动光滑情况的两倍。利用绝热壁温相关理论证明，可以利用红外测温技术来直接测量分析风阻温升效应。
转静系模型，转静间隙比变化对于转盘扭矩影响的程度，随着湍流参数的增加而降低。在湍流参数较大即通流主导流态，存在临界间隙比，使得扭矩系数最小；而湍流参数较小时，旋转主导情况，无论是开式无封严转静系还是封严转静系，转盘扭矩基本不受转静间隙比的影响。在所有转静间隙比下，封严间隙的变化对于转盘扭矩系数都无影响。转盘温升主要受到旋转作用的影响，增大通流只会使得旋转主导时转盘温升有所降低，而对通流主导下转盘的温升影响很小。转静间隙改变对于转盘温升的影响较为复杂，通流主导时，转盘温升随着转静间隙的增大而增大，同样存在着在扭矩系数分析中相似的临界间隙比，而旋转主导时，改变转静间隙对转盘温升无影响。
附有凸起转盘模型，转盘附有18个六角螺栓以及立方凸起，使得转盘扭矩系数比气动光滑转盘增大1.5-2倍，而叶型凸起通过减小形阻有效减低风阻扭矩，仅比光滑转盘增加70%，改变螺栓以及立方凸起在转盘的安装迎风角度，迎风方向的改变会引起10%左右的扭矩变化。
从根源分析，风阻损失即为转盘机械能向流体热能的转化过程，这个过程中，消耗了轴功，转化为流体的焓升，同时在转盘边界层内耗散温升阻碍了换热，盘腔结构以及流动参数等因素，通过影响腔内流动使得风阻损失规律呈现不同的规律。本文利用大量的实验数据，针对所研究的模型，分别对扭矩系数以及无量纲温升总结相应的经验关系式。