题目：轴流压气机非定常流动及气动失稳机理的数值模拟和试验研究

叶尖非定常流动对压气机气动性能有着重要影响，澄清叶尖非定常流动机理，研究叶尖非定常流动与压气机旋转失速先兆之间的关系，并探讨旋转失速/喘振产生和发展的物理机制，对于提高航空发动机的气动性能和可靠性具有重要意义。因此，本文围绕叶尖非定常流动和旋转失速/喘振这两个方面，从低速到高速、从大尺寸到小尺寸，在多台轴流压气机上对相关内容进行了系统深入的研究。在大尺寸低速轴流压气机试验台上，测量了稳态工况点转子叶顶动态静压以及转子出口流场，并结合全环非定常数值模拟，详细研究了转速阶扰动和叶尖泄漏涡非定常破碎现象。研究表明，低速轴流压气机上出现的频率与转频成整数倍、传播速度与转速相同的转速阶扰动是由转子的几何非轴对称性所造成的。除了转速阶扰动之外，转子叶尖还存在泄漏涡非定常螺旋型破碎现象。数值模拟只能在当工况点越过最高压升点之后才能捕捉到泄漏涡非定常破碎现象，与试验结果不同，这种泄漏涡破碎属于具有稳定结构的泡状破碎。在低速孤立转子和1.5级轴流压气机上分别进行了旋转失速试验研究，测量并分析了失稳过程的动态压力信号，结合几何非轴对称转子和轴对称转子压气机的旋转失速数值模拟研究，深度剖析了低速轴流压气机失速先兆产生和旋转失速发展过程的物理机制。孤立转子试验研究表明，周向出现的两个“spike”失速先兆扰动是由波数为2的转速阶模态扰动发展而来，并最终发展成2个全叶高失速团。数值模拟捕捉到的“spike”失速先兆，它是由泄漏涡非定常破碎“脱落”后溢出相邻叶片前缘形成的。轴对称转子数值模拟捕捉到多个“spike”失速先兆，非轴对称转子数值模拟周向只存在两个“spike”失速先兆扰动，这与试验结果更接近。1.5级低速轴流压气机的旋转失速试验研究表明，在近失速点出现模态波，在其向失速团转换过程中，周向同时产生很多小尺度扰动，数值模拟结果表明这些扰动实际上就是“spike”先兆扰动。之后，扰动尺度增大，相互吞并、融合形成1个大尺度全叶高失速团，数值模拟也捕捉到这一失稳过程。发展了多种高频压力探针动态测试技术，包括高频圆柱、楔顶、L型探针和叶型探针，并将这些探针以及端壁动态压力传感器应用于某小型1.5级和3.5级跨音轴流压气机的测量试验，研究小型高速轴流压气机的非定常流动和气动失稳机理。在某小型1.5级跨音轴流压气机上，全叶高的失速团是由“spike”型失速先兆发展而来的，失速团一直处于1~2个团的不断分裂、合并的动态变化过程。3.5级轴流压气机的非定常流动研究表明，在中低转速下，由于后面级尖区存在严重堵塞，压气机表现出显著的级间干扰作用，而高转速下级间干扰并不强。与1.5级情况相比，3.5级压气机表现出完全不同的失稳特征——喘振。中高转速下，失稳表现为明显的深度喘振，是由模态旋转失速引起流动堵塞导致流动崩溃所造成的。低转速下，压气机直接由模态波发展成轻度喘振，并且在整个喘振周期内一直伴有失速的产生、发展和消失。将高频压力探针应用于某高速多级轴流压气机非整阶振动的气动机理研究，详细测量了首级转子进、出口动态流场，并将测得的动态压力信号以及已有的动态应力信号进行系统深入的分析。研究表明，非整阶振动是由进口攻角过大导致叶尖流场恶化而造成的。恶化的尖区流场表现为旋转不稳定性扰动，与低速台上的旋转不稳定性存在一定共性。不同的是，高速压气机出现的旋转不稳定性扰动存在主频。旋转不稳定性扰动的主频与振动频率呈一一对应关系，扰动幅值与应力大小成正比，证实了非整阶振动与旋转不稳定性存在着直接关系。