题目：多尺度扰动对压气机气动稳定性的影响研究

为进一步提高航空发动机推重比，压气机设计将趋于全展向高负荷设计，这将导致静子叶根负荷过大，在没有流动控制的情况下，静子叶根极易发生流动分离。因此，在未来超高负荷的风扇/压气机中，下游静子叶根非定常分离与上游转子叶尖泄漏流非定常旋涡运动的相互影响及传播将是影响气动稳定性的主导物理机制。为解决高负荷风扇/压气机失速裕度不足的设计瓶颈，必须首先对相关失速机理进行深入研究，进而再开发相应的流动控制方法，从而完善高负荷压气机设计方法。

本文从上述目的出发，研究了转子叶尖泄漏流对压气机性能的影响，并建立了相应的流动模型。通过进一步对压气机内部的三维非定常流动展开研究，详细描述了Spike失速的触发机制；并发现了静子角区分离对跨声速单级轴流压气机失速特性的影响机理。为了扩大高负荷压气机的失速裕度，在失速机理研究的基础上，结合本课题组多年的实验数据，又对处理机匣进行了数值模拟研究；通过对处理机匣结构形式及关键设计参数的一系列对比研究，得到了对压气机性能有显著提高的相对较优的处理机匣结构形式及其参数化设计准则，从而减少了处理机匣设计对经验性的依赖。通过上述研究，本文得出以下研究成果：

（1）通过建立泄漏流二维模型，定量地给出在间隙尺寸、叶片负荷等参数变化情况下，泄漏流量的变化趋势；在确定泄漏流量变化趋势后，进一步建立了泄漏流-堵塞模型，利用模型，可以准确计算出叶尖泄漏流在转子叶尖造成的气动堵塞，定量解释了在负荷提高后，转子叶尖堵塞急剧增长的原因；同时，通过该模型能更准确地给定二维设计中转子的叶尖堵塞量，从而减小叶片设计中对经验系数的依赖。

（2）通过对低速压气机转子内发生Spike失速的过程展开研究发现，周向2阶扰动是先于Spike型扰动的失速先兆。周向运动的2阶扰动形成的局部压差使得转子叶尖处的流动率先发生失稳，失稳后的叶尖泄漏涡向通道前缘发展并在前缘发生旋涡脱落，导致通道内形成了Spike型扰动；脱落后的旋涡沿周向运动则使得Spike型扰动进行周向传播并最终导致压气机转子进入旋转失速状态。

（3）静子叶根角区分离对轴流压气机失速特性有着重要影响：如果轴流压气机发生失速前，静子叶根处的角区分离没有发生跨通道合并，则压气机表现为叶尖Spike失速；而当失速发生前，静子叶根处的角区分离流发生跨通道合并，将会在静子叶根进一步形成周向运动的失速团，导致轴流压气机发生模态失速。这一研究结果进一步明确了压气机内不同尺度的扰动与不同类型失速先兆之间的关联。

（4）通过实验和数值模拟研究发现，圆弧斜槽处理机匣不仅对转子叶尖失速的压气机具有扩稳效果，对静子叶根失速的压气机同样具有扩稳效果。扩稳机理在于：通过处理槽尾缘的抽吸作用减小转子叶尖堵塞，从而提高压气机叶尖处的流通能力；在小流量工况下，这一效应将导致叶根处的攻角增大，发生叶根失速，但由于叶尖处的流通能力得到改善，延缓了叶根失速团向叶尖方向发展，使得压气机在叶根失速的情况下仍能稳定工作，不发生全叶高失速。

（5）圆弧斜槽处理机匣的参数化研究结果表明，在跨声速流场中，搭接量的选择应保证处理槽尾缘与通道中的激波位置接近，通过处理槽的抽吸作用可以有效减小泄漏流/激波干涉形成的当地堵塞；而在亚声速流场中，由于转子叶尖堵塞是从通道下游往上游扩展，因此搭接量的大小对失速裕度的影响不明显。

（6）在搭接量研究的基础上，进一步对处理槽数的影响进行了研究。在跨声速流场中，处理槽数对于对压比和效率的影响较小，但对失速裕度有着重要影响：当无量纲槽数在4~5的取值范围时，圆弧斜槽处理机匣对压气机扩稳效果更为显著；而在亚声速流场中，处理槽数对圆弧斜槽处理机匣的扩稳能力影响较小，但对压气机峰值效率的影响较大，实验数据显示，在同样的处理面积下，适当增加槽数可以提高轴流压气机的峰值效率。