题目：亚音轴流压气机端壁区复杂流动研究及其模化分析

压气机端壁区的流动不仅复杂，而且对压气机的性能有重要影响。对压气机端壁区复杂流动的准确把握和有效控制，不仅是设计高效率高性能多级压气机的关键，也是未来进一步提高压气机性能的重要突破口。本文针对多级轴流压气机中后部的亚音级，在低速大尺寸压气机试验台上，利用先进的瞬态场激光测量技术——体视粒子图像测速技术（SPIV），结合油流显示和CFD技术，对压气机转子和静子的端壁区复杂流动开展了深入研究，发现了一些新现象，在流动机理、转子叶尖泄漏模化和静子三维角区分离/失速模化等方面取得了一些新突破。文中首先进一步发展和完善了自主提出的适用于多级压气机任意叶排内部复杂流动测量的SPIV技术及其数据分析方法。通过研制新型粒子发生器，优化数据处理算法，改进锁相采集控制方法和发展完善的误差分析方法等工作，有效地提高了测量精度，将测量的有效数据率从原来的10％左右提高到了90％以上，实现了从速度场测量到湍流场测量的跨越。然后，利用该技术，全面测量了设计和近失速状态低速大尺寸压气机实验台转静子通道内部的复杂流动，建立了详细的高分辨率瞬态速度场、平均速度场和湍流统计场实验数据库，勾画出了转静子内部三维流动结构的详细图画，为压气机内部复杂流动模化、湍流模型和CFD软件校验提供了关键的实验数据。基于以上研究，通过深入分析速度、涡量、湍流度和熵生成率分布等信息，分析了设计和近失速状态转静子通道内部端壁区的主要二次流动结构及其发展演化机制。这些流动结构包括转子中的尖泄漏流/涡、角区旋涡、通道涡、上游导叶尾迹和泄漏涡的诱导涡，以及静子中的上游转子尾迹和三维角区分离。文中重点研究了转子叶尖泄漏涡和角区旋涡以及静子中的三维角区分离等重要流动结构的特性和发展机制。通过分析转子叶尖泄漏涡涡核的轨迹、直径、涡量峰值、流向和周向速度分布的发展变化规律，总结了泄漏涡在设计和近失速状态的运动学和动力学特性，发现叶尖泄漏涡具有摆动、分裂和非定常破碎等典型非定常运动特征。然后，运用理论分析的方法，对近失速状态下转子叶尖角区旋涡的产生、发展和演化机制做出了解释。最后，结合油流显示实验，对静子通道内三维分离结构的发展演化过程做了系统研究，建立了静子通道内的三维分离结构随压气机工作状态变化的完整演化过程。基于实验研究成果，文中对转子叶尖泄漏做了模化研究。在利用本文实验数据校验和分析了多种经典泄漏涡模型的基础上，改进了已有的泄漏涡轨迹和尺度模型，并提出了一个能够用于预测分析压气机转子尖部失速以及二次泄漏的新模型。该模型可用于分析压气机设计参数选择的合理性，优化设计方案。校验结果表明，该模型不仅适用于低速压气机，还适用于超跨音压气机。最后，文中利用数值模拟方法建立了数据库，对静子通道内的三维角区分离/失速做了模化研究，提出了新的判断静子三维角区分离/失速的准则——Dm参数准则。校验结果表明，该模型具有准确、可靠且适用范围广等优点。