● 摘要
叶尖泄漏流动对压气机的气动性能和稳定性有着的显著影响，研究其演化发展机制、非定常特征、以及流动控制技术，对于提升航空发动机气动性能和可靠性具有重要意义。本文采用多种先进测试技术，分别在大尺寸单转子压气机试验台、线性振荡压气机叶栅以及两个压气机直叶栅中研究了叶顶非均匀几何形式对尖区复杂三维非定常流动及气弹稳定性的影响。
首先，在大尺寸压气机试验台上，采用五孔探针、油流显示、单斜丝热线探针、动态压力传感器、SPIV等测试技术，研究了转子叶顶非均匀几何形式影响压气机性能、尖区定常和非定常流场的流动机制。结果表明：在吸力面台阶叶尖间隙情况下，单转子压气机静压升性能略优于基准间隙，但失速裕度没有明显变化；其在前50%弦长范围内加剧了泄漏速度，泄漏涡更加偏离吸力面，端壁附近流场的流向增压过程提前，但后50%弦长位置泄漏强度降低；其更强的泄漏涡强度有利于保持泄漏涡在上游的集中涡特征，但下游的涡分裂和湍流掺混过程加剧；其尖区流通能力提升，主流和叶根附近的流通能力下降。
进一步发展了SPIV测得瞬态场的数据处理方法，定量地分析了瞬态场统计的泄漏涡的强度、位置、尺度等信息，揭示了此压气机叶尖泄漏涡/流的发展演化过程。结果表明：涡核半径和环量平均值的极大值及其均方根值的斜率突变点可以用来判断涡分裂的起始位置。泄漏涡/流造成的堵塞和速度亏损的发展与泄漏本身的流向发展机制有着紧密的联系，两者都在流向呈现出先增后减的趋势。统计场速度亏损的流向分布基本对应着泄漏涡的分裂过程，在分裂过程中，速度亏损一直增长，直到湍流掺混过程开始占据主导地位时速度亏损才开始下降；而堵塞则反映了速度亏损的流向积分效果，其增减都滞后于速度亏损。泄漏涡涡核在起始位置具有强烈的间歇性，随着泄漏向下游发展，分裂的涡核数量基本呈线性增加。
其次，通过详细测量不同间隙、不同工况下压气机线性振荡叶栅的叶片表面非定常气动响应，构造了叶栅整体气动阻尼，揭示了在叶片振动情况下泄漏涡/流的动态特征。结果表明：单个振动叶片的叶尖泄漏涡/流的演化特征与尖区叶片表面的非定常气动响应之间有着很直接的对应关系；在泄漏的形成阶段，一阶脉动幅值强度急剧上升，且与叶片振动的相位差减小，泄漏涡的集中涡特征起着主导作用；在失稳掺混阶段，脉动开始减弱，相位差增加。SSQ叶尖间隙对叶栅的整体气动阻尼有着积极的作用。
最后，通过观察两个压气机叶栅的尖区非定常流动现象，分析了叶尖泄漏流/涡准周期性流动不稳定性的物理机制，并利用SPIV测量结果探讨了泄漏涡在自诱导作用范畴下的非定常特征。结果说明：直叶栅A中出现的fC2特征频率是泄漏涡和相邻叶片的相互作用产生的，此耦合作用的作用范围为两个通道。通过对比分析文献报导的结果，本文认为稠度值为1.2是触发此耦合作用的必要条件。泄漏涡的自诱导振荡是另一类不同的泄漏不稳定性机制，泄漏在向下游发展的过程中最不稳定波长增加，即特征频率降低。较强、集中性更高的涡核更容易产生较稳定的频率特征，在失稳后，其特征频率急剧降低，且不均匀的涡核尺度也使得频带较为分散。