题目：风扇/压气机气动弹性动力响应的机理与应用研究

       风扇/压气机作为航空涡轮发动机的关键部件，单级压比、叶片气动负荷的不断提高以及轻质合金钢、新型复合材料的使用使得叶片的气动弹性动力响应问题不容忽视。进气畸变、上游尾迹、转静叶干扰、激波——附面层干涉以及旋转失速等不稳定流动对风扇/压气机叶片的气流激振作用显著，易导致叶片高周疲劳失效的发生。

        现有强迫响应研究存在流场激振源的简化不合理、拘泥于“等叶片间相角假设”以及流体域、固体域迭代耦合程度不高等问题。运用风扇/压气机转子全周物理域的双向迭代流固耦合时域求解方法以及更接近实际流动的非均匀流场激振源有助于阐述流动诱发叶片强迫振动现象的物理本质，突破现有风扇/压气机强迫响应研究的局限。

        为探究进气总压畸变、上游尾迹等非定常流场激振源诱发叶片强迫振动的物理机理以及影响因素，在风扇/压气机设计阶段建立合理预测风扇/压气机叶片强迫响应水平的数值模型，本文开展了如下工作：

        首先，针对现有强迫响应研究中对流场激振源简化的不合理性，建立了经过进气道风洞试验校准的稳态、动态总压畸变的数值预测模型，改进了进气畸变诱发风扇/压气机叶片强迫响应研究中总压畸变激振源真实度不高的问题。分析表明：气流回转曲率增加、亚声速进气道唇口和下壁面流动分离程度加剧是导致AIP界面稳态总压畸变强度上升的流动因素，流量系数0.6以下工况超声速进气道出口的紊流度较大。

        其次，采用实际进气道出口非均匀流场的稳态总压畸变作为压气机风扇/转子的强迫响应激振源，建立了不同进气攻角下进气道出口周向总压畸变强度同叶片强迫响应水平之间的关系：15°以下二者呈线性关系，15°以上强迫响应水平随稳态周向畸变强度指数型增长。探讨了不同紊流度、不同激励频率下超声速进气道出口动态总压畸变对转子强迫响应的影响：0.04紊流度以上的进气动态总压脉动能显著激发叶片的振动响应，叶片的动应力变化率升至低紊流度情况的4倍以上；激励频率接近转子二弯动频的动态总压畸变流场激振效果最好。

        再次，解除气动弹性研究中常用的“等叶片间相角假设”，针对压气机全周物理域建立了双向迭代时域求解的流固耦合模型，揭示了尾流激振条件下风扇/压气机叶片间振动相位角同强迫响应振幅之间的相关性：叶间振动相角大的周向位置叶片强迫振动幅值小，相邻叶片20°以上的振动相位角对转子强迫振动幅值的增加起到抑制作用。研究表明：上游尾迹引起转子叶尖泄漏涡流动增强和压力面关键截面的气动负荷增加；尾流激励下压气机周向各叶片强迫振动幅值和动应力分布的不均匀；基于“等叶片间相角假设”的尾流激振简化模型对叶片振动响应水平、表面气动力脉动预测不准确。

        然后运用流固耦合方法对一跨声速压气机结构协调转子与交叉错频转子进行对比分析，讨论了结构协调转子极限环振荡的非线性特征，结合气动弹性稳定性考察了不同错频量的结构失谐对叶片强迫响应的影响：交叉错频虽有利于压气机叶片失速颤振边界扩展，但10Hz小错频量的结构失谐导致低频转子的动应力变化率升至结构协调转子的2.4倍，叶片强迫振动幅值和响应水平的明显增加；在错频设计中应综合衡量结构失谐对气弹稳定性和动力响应的利弊给定风扇/压气机转子错频量。

       最后，对论文中风扇/压气机叶片的气动弹性动力响应研究进行了总结，从机理研究和工程需求角度对进一步的研究进行了展望。