推进技术
2017年第38卷第10期文章目次
2017, 38(10):2164-2171.
摘要:
受吴仲华先生“叶轮机械三元流动理论”的启发，在前期压气机等离子体流动控制研究的基础上，进一步提出等离子体激励式压气机的概念，即将等离子体激励融入到S1，S2流面压气机气动设计之中，以释放常规压气机设计中失速裕度、负荷极限等因素的约束。本文旨在探讨等离子体流动控制在新一代高负荷压气机中应用的前景和研究趋势，通过原理论证与实例分析，首先阐述了等离子体激励式压气机的概念，然后梳理了压气机等离子体流动控制研究的若干进展，以论述等离子体激励式压气机设计的研究基础，最后给出了等离子体激励式压气机的典型技术路径和理论基础。
受吴仲华先生“叶轮机械三元流动理论”的启发，在前期压气机等离子体流动控制研究的基础上，进一步提出等离子体激励式压气机的概念，即将等离子体激励融入到S1，S2流面压气机气动设计之中，以释放常规压气机设计中失速裕度、负荷极限等因素的约束。本文旨在探讨等离子体流动控制在新一代高负荷压气机中应用的前景和研究趋势，通过原理论证与实例分析，首先阐述了等离子体激励式压气机的概念，然后梳理了压气机等离子体流动控制研究的若干进展，以论述等离子体激励式压气机设计的研究基础，最后给出了等离子体激励式压气机的典型技术路径和理论基础。
2017, 38(10):2172-2185.
摘要:
在航空压气机设计阶段，对其稳定裕度进行快速、准确评估，防患于未然，具有迫切需求和重要意义。首先评述了现有的压气机流动稳定性理论预测方法，并重点就近期发展起来的叶轮机流动稳定性通用理论做了系统的介绍。随后，汇总了叶轮机流动稳定性通用理论在亚声速、跨声速轴流压气机以及亚声速离心压气机等不同机型上的应用，从现有算例来看，该理论有能力对不同类型的压气机失速起始点做出准确的预测。进一步，综述了基于叶轮机流动稳定性通用理论所开展的针对压缩性、叶尖间隙以及三维叶片造型等因素的参数化研究工作。研究结果表明，该理论在定性层面上能够捕捉到这些因素的影响，然而，这些预测结果定量上尚未得到实验的验证，需要进一步开展相应的实验研究。目前，叶轮机流动稳定性通用理论只在单级或单转子压气机上得到应用，对于多级压气机，还需要在定常流场的计算方法、大规模矩阵特征值求解等方面开展更加深入的研究。
在航空压气机设计阶段，对其稳定裕度进行快速、准确评估，防患于未然，具有迫切需求和重要意义。首先评述了现有的压气机流动稳定性理论预测方法，并重点就近期发展起来的叶轮机流动稳定性通用理论做了系统的介绍。随后，汇总了叶轮机流动稳定性通用理论在亚声速、跨声速轴流压气机以及亚声速离心压气机等不同机型上的应用，从现有算例来看，该理论有能力对不同类型的压气机失速起始点做出准确的预测。进一步，综述了基于叶轮机流动稳定性通用理论所开展的针对压缩性、叶尖间隙以及三维叶片造型等因素的参数化研究工作。研究结果表明，该理论在定性层面上能够捕捉到这些因素的影响，然而，这些预测结果定量上尚未得到实验的验证，需要进一步开展相应的实验研究。目前，叶轮机流动稳定性通用理论只在单级或单转子压气机上得到应用，对于多级压气机，还需要在定常流场的计算方法、大规模矩阵特征值求解等方面开展更加深入的研究。
2017, 38(10):2186-2199.
摘要:
低压涡轮湍流问题是制约高性能航空发动机研制的难点之一。为了理清低压涡轮内部湍流流动机理，并掌握相应的控制策略，获得计及非定常流动特征的高负荷低压涡轮气动设计方法，基于课题组长期从事高负荷低压涡轮的研究基础之上，结合国内外低压涡轮大量研究工作，系统地介绍了尾迹扫掠下低压涡轮叶片吸力面附面层发展演化过程、端区二次流非定常特征变化以及相应的流动损失机制及其抑制方法。优化叶片载荷分布在一定程度上能够减小叶型损失和二次流损失；尾迹扫掠能够诱导吸力面附面层发生转捩从而减小叶型损失，同时也有助于抑制端区二次流的发展，但在不同雷诺数下，尾迹的作用效果可能不同；对于高/超高负荷低压涡轮，特别是在低雷诺数条件下，需要借助有效的流动控制手段来抑制分离。
低压涡轮湍流问题是制约高性能航空发动机研制的难点之一。为了理清低压涡轮内部湍流流动机理，并掌握相应的控制策略，获得计及非定常流动特征的高负荷低压涡轮气动设计方法，基于课题组长期从事高负荷低压涡轮的研究基础之上，结合国内外低压涡轮大量研究工作，系统地介绍了尾迹扫掠下低压涡轮叶片吸力面附面层发展演化过程、端区二次流非定常特征变化以及相应的流动损失机制及其抑制方法。优化叶片载荷分布在一定程度上能够减小叶型损失和二次流损失；尾迹扫掠能够诱导吸力面附面层发生转捩从而减小叶型损失，同时也有助于抑制端区二次流的发展，但在不同雷诺数下，尾迹的作用效果可能不同；对于高/超高负荷低压涡轮，特别是在低雷诺数条件下，需要借助有效的流动控制手段来抑制分离。
2017, 38(10):2200-2207.
摘要:
综述了叶尖小翼控制压气机叶顶间隙泄漏流动的研究进展。首先介绍了叶顶泄漏流动对压气机气动性能的影响，接着回顾了叶尖小翼技术在涡轮中的研究概况，之后详细介绍了大连海事大学船舶动力工程研究所在压气机叶尖小翼技术方面开展的一系列研究工作，分别讨论了叶尖小翼对压气机矩形叶栅、亚声速压气机转子和跨声速压机转子气动性能的影响及其作用机制。最后给出了压气机叶尖小翼技术未来的发展方向和研究前景。
综述了叶尖小翼控制压气机叶顶间隙泄漏流动的研究进展。首先介绍了叶顶泄漏流动对压气机气动性能的影响，接着回顾了叶尖小翼技术在涡轮中的研究概况，之后详细介绍了大连海事大学船舶动力工程研究所在压气机叶尖小翼技术方面开展的一系列研究工作，分别讨论了叶尖小翼对压气机矩形叶栅、亚声速压气机转子和跨声速压机转子气动性能的影响及其作用机制。最后给出了压气机叶尖小翼技术未来的发展方向和研究前景。
2017, 38(10):2208-2217.
摘要:
首先回顾了近几十年来国际上在轴流压气机内部流动失稳机理方面具有代表性的研究成果，然后介绍了作者研究团队从叶顶泄漏流的视角研究压气机失稳机理所开展的主要工作，研究结果证实了叶顶泄漏流非定常性在低速亚声和高速跨声压气机转子中存在的普遍性，揭示了在节流直至失速工况过程中叶顶泄漏流的非定常波动和三维空间结构特征。主要表现为:(1)叶顶泄漏流由定常变为非定常波动，且非定常波动强度不断增强。(2)泄漏流与主流交界面的轴向位置不断向叶片前缘移动，最终溢出叶片通道，并诱发突尖失速先兆。这两方面特征的内在驱动力是节流过程中不断提高的泄漏流与主流轴向动量比。这些研究成果在发展主/被动扩稳技术和阐释扩稳机理研究中凸显出重要的应用价值。
首先回顾了近几十年来国际上在轴流压气机内部流动失稳机理方面具有代表性的研究成果，然后介绍了作者研究团队从叶顶泄漏流的视角研究压气机失稳机理所开展的主要工作，研究结果证实了叶顶泄漏流非定常性在低速亚声和高速跨声压气机转子中存在的普遍性，揭示了在节流直至失速工况过程中叶顶泄漏流的非定常波动和三维空间结构特征。主要表现为:(1)叶顶泄漏流由定常变为非定常波动，且非定常波动强度不断增强。(2)泄漏流与主流交界面的轴向位置不断向叶片前缘移动，最终溢出叶片通道，并诱发突尖失速先兆。这两方面特征的内在驱动力是节流过程中不断提高的泄漏流与主流轴向动量比。这些研究成果在发展主/被动扩稳技术和阐释扩稳机理研究中凸显出重要的应用价值。
2017, 38(10):2218-2223.
摘要:
为进一步明晰低反力度压气机内部复杂流动机理，以低速低反力度吸附式压气机叶展中截面微元段作为研究对象，借助非定常数值模拟的方法，探讨了变轴向间距对低反力度压气机气动性能的影响。研究结果显示，轴向间距缩短后，转子受下游静子势流的作用更为明显，近尾缘区域静压波动幅度增加、尾迹亏损加剧；在静子流道输运过程中，转子尾迹呈现出明显的离散趋势且与静子吸力面附面层干涉作用加剧，这导致静子通流损失增加12.976%，整机效率降低了0.16%。
为进一步明晰低反力度压气机内部复杂流动机理，以低速低反力度吸附式压气机叶展中截面微元段作为研究对象，借助非定常数值模拟的方法，探讨了变轴向间距对低反力度压气机气动性能的影响。研究结果显示，轴向间距缩短后，转子受下游静子势流的作用更为明显，近尾缘区域静压波动幅度增加、尾迹亏损加剧；在静子流道输运过程中，转子尾迹呈现出明显的离散趋势且与静子吸力面附面层干涉作用加剧，这导致静子通流损失增加12.976%，整机效率降低了0.16%。
2017, 38(10):2224-2234.
摘要:
为发展串列叶栅优化设计体系，首先提出了串列叶型的参数化造型方法，并对某传统叶栅进行了串列改型，设计点总压损失系数下降了41.8%，静压升上升了0.92%。发展了主从式并行微分进化算法，并对该串列叶栅的5个配置参数进行了数值优化，设计点总压损失系数降低了8.67%，静压升提高了0.3%。采用偏相关分析法对优化全过程进行数据挖掘，揭示了5个配置参数对串列叶栅性能的影响程度。提出并验证了串列叶栅前后叶的弯角和弦长分布对攻角特性的影响关系，并定义一个新的参数用于衡量这一影响关系，实现了对攻角特性的调节，得到了全工况更优的方案。
为发展串列叶栅优化设计体系，首先提出了串列叶型的参数化造型方法，并对某传统叶栅进行了串列改型，设计点总压损失系数下降了41.8%，静压升上升了0.92%。发展了主从式并行微分进化算法，并对该串列叶栅的5个配置参数进行了数值优化，设计点总压损失系数降低了8.67%，静压升提高了0.3%。采用偏相关分析法对优化全过程进行数据挖掘，揭示了5个配置参数对串列叶栅性能的影响程度。提出并验证了串列叶栅前后叶的弯角和弦长分布对攻角特性的影响关系，并定义一个新的参数用于衡量这一影响关系，实现了对攻角特性的调节，得到了全工况更优的方案。
2017, 38(10):2235-2245.
摘要:
为研究多级跨声速压气机的分析问题，以通流理论为基础，采用了一系列适用于跨声速压气机的攻角、落后角和损失等经验模型，发展了一套基于流线曲率法的通流计算程序来预测跨声速压气机流场及其工作特性。为提高经验模型的预测精度，考虑到真实压气机中复杂的三维流动效应，针对部分早期模型进行了合理改进，包括改进了落后角模型使其适用于更大弯度范围叶型，以及采用一种更为合理的可变结构激波损失预测模型。针对两台跨声速压气机算例进行了计算校验，并将校验结果与实验值和三维数值计算进行对比。对比表明，设计工况下总压比最大计算误差为4.1%，效率误差为1.1%，在非设计工况特性预测和展向流场参数计算中也能得到和实验值相符的变化趋势，该通流计算方法可为现代跨声速轴流多级压气机特性分析提供具有参考价值的预测结果。
为研究多级跨声速压气机的分析问题，以通流理论为基础，采用了一系列适用于跨声速压气机的攻角、落后角和损失等经验模型，发展了一套基于流线曲率法的通流计算程序来预测跨声速压气机流场及其工作特性。为提高经验模型的预测精度，考虑到真实压气机中复杂的三维流动效应，针对部分早期模型进行了合理改进，包括改进了落后角模型使其适用于更大弯度范围叶型，以及采用一种更为合理的可变结构激波损失预测模型。针对两台跨声速压气机算例进行了计算校验，并将校验结果与实验值和三维数值计算进行对比。对比表明，设计工况下总压比最大计算误差为4.1%，效率误差为1.1%，在非设计工况特性预测和展向流场参数计算中也能得到和实验值相符的变化趋势，该通流计算方法可为现代跨声速轴流多级压气机特性分析提供具有参考价值的预测结果。
2017, 38(10):2246-2253.
摘要:
为了研究非均匀进口总压引起的燃气透平内部流动特性变化对静、动叶端壁传热的影响机制，针对GE-E3透平第一级叶片在均匀、湍流边界层及航空发动机燃烧室出口实测得到的“C”型总压三种进口条件下进行了非定常数值计算。研究表明:非均匀进口总压相对均匀进口条件对静叶端壁附近流速和入口三角区传热产生了显著影响；湍流边界层总压相对均匀总压增强了前缘马蹄涡强度，从而使静、动叶端壁前缘传热系数分别增加100%和30%；“C”型总压使静叶端壁分离线下游和动叶端壁前缘局部传热系数降低；静叶内被湍流边界层总压增强的通道涡和由“C”型总压诱导产生的对转涡均会出现在动叶上下端壁附近；残余通道涡削弱了动叶端壁横向流动并使对应位置传热系数最大降低了12%，残余对转涡则增强了动叶端壁横向流动并使端壁传热系数最大增加了38%。
为了研究非均匀进口总压引起的燃气透平内部流动特性变化对静、动叶端壁传热的影响机制，针对GE-E3透平第一级叶片在均匀、湍流边界层及航空发动机燃烧室出口实测得到的“C”型总压三种进口条件下进行了非定常数值计算。研究表明:非均匀进口总压相对均匀进口条件对静叶端壁附近流速和入口三角区传热产生了显著影响；湍流边界层总压相对均匀总压增强了前缘马蹄涡强度，从而使静、动叶端壁前缘传热系数分别增加100%和30%；“C”型总压使静叶端壁分离线下游和动叶端壁前缘局部传热系数降低；静叶内被湍流边界层总压增强的通道涡和由“C”型总压诱导产生的对转涡均会出现在动叶上下端壁附近；残余通道涡削弱了动叶端壁横向流动并使对应位置传热系数最大降低了12%，残余对转涡则增强了动叶端壁横向流动并使端壁传热系数最大增加了38%。
2017, 38(10):2254-2261.
摘要:
随着透平负荷的逐渐提高，为了分析导叶中出现的激波与边界层干涉的流动机理，需要使用高精度、高分辨率的求解器和先进的湍流计算方法以获取精细的流场结构。采用自主开发的混合RANS/LES求解器，对高负荷透平环境中激波与边界层干涉的流动现象进行研究。结果表明:跨声速流场中同时存在强激波和弱激波，弱激波可在作用位置附近导致熵生成率增大；强激波会诱导边界层分离，而分离区的存在使激波出现马赫反射现象。进一步对湍动能和流动损失进行了机理研究，发现在分离泡前湍动能较大，且湍动能的生成和对流占主导机制；在强激波后由强激波引起的熵生成率较大，且强激波前后区域流动损失主导因素不同。
随着透平负荷的逐渐提高，为了分析导叶中出现的激波与边界层干涉的流动机理，需要使用高精度、高分辨率的求解器和先进的湍流计算方法以获取精细的流场结构。采用自主开发的混合RANS/LES求解器，对高负荷透平环境中激波与边界层干涉的流动现象进行研究。结果表明:跨声速流场中同时存在强激波和弱激波，弱激波可在作用位置附近导致熵生成率增大；强激波会诱导边界层分离，而分离区的存在使激波出现马赫反射现象。进一步对湍动能和流动损失进行了机理研究，发现在分离泡前湍动能较大，且湍动能的生成和对流占主导机制；在强激波后由强激波引起的熵生成率较大，且强激波前后区域流动损失主导因素不同。
2017, 38(10):2262-2270.
摘要:
变循环发动机(VCE)具有较多的可调参数，为了进行变循环发动机的多变量稳态控制规律优化设计，提出了用于变循环发动机稳态控制规律优化设计的一种新方法-逆算法。该方法基于敏感性系数矩阵，采用可调参数替换传统部件级性能计算模型中的独立变量，在给定变循环发动机主要状态参数和部件参数的条件下，实现了可调参数的求解，进一步完成发动机稳态控制规律的优化设计。对比表明，逆算法的计算精度和收敛速度与传统算法一致，收敛性得到了改善。对带有核心机驱动风扇(CDFS)的双外涵变循环发动机亚声速巡航的节流状态控制规律优化后，使得巡航推力下的安装耗油率比定几何的双外涵和单外涵发动机分别下降7.8%和16.4%，而地面安装耗油率最大降低约3.4%。结果表明，逆算法是变循环发动机稳态控制规律优化设计的一种有效途径。
变循环发动机(VCE)具有较多的可调参数，为了进行变循环发动机的多变量稳态控制规律优化设计，提出了用于变循环发动机稳态控制规律优化设计的一种新方法-逆算法。该方法基于敏感性系数矩阵，采用可调参数替换传统部件级性能计算模型中的独立变量，在给定变循环发动机主要状态参数和部件参数的条件下，实现了可调参数的求解，进一步完成发动机稳态控制规律的优化设计。对比表明，逆算法的计算精度和收敛速度与传统算法一致，收敛性得到了改善。对带有核心机驱动风扇(CDFS)的双外涵变循环发动机亚声速巡航的节流状态控制规律优化后，使得巡航推力下的安装耗油率比定几何的双外涵和单外涵发动机分别下降7.8%和16.4%，而地面安装耗油率最大降低约3.4%。结果表明，逆算法是变循环发动机稳态控制规律优化设计的一种有效途径。
2017, 38(10):2271-2279.
摘要:
为了揭示叶顶流场对微喷气的响应机制，深入探究微喷气扩稳机理，以高负荷轴流压气机转子为研究对象，通过求解三维雷诺时均N-S方程对其进行了5通道高精度非定常数值研究。借助时间精确的数值模拟，获得了实壁和喷气工况下压气机转子的基元级性能、总性能和叶顶流场非定常特征。研究发现，在相同流量水平下，较之实壁工况，微喷气可以显著改变叶顶流场非定常特征的时空分布，削弱叶顶流场的自激振荡幅值。微喷气通过改变叶顶瞬态攻角对流场施加影响，叶栅掠过喷嘴过程中，正对喷嘴部位的攻角会发生突降，流场扩压程度和阻塞水平关于攻角突变的响应呈现出强烈的时滞性和非线性，攻角突降所诱导出的低阻塞水平在时域内持续时间约为低攻角水平持续时间的3倍。微喷气能够提高叶栅的承载能力，增强其对时均攻角的耐受力，拓宽流量裕度，增大吸力面分离在诱发流动失稳过程中的贡献比例。
为了揭示叶顶流场对微喷气的响应机制，深入探究微喷气扩稳机理，以高负荷轴流压气机转子为研究对象，通过求解三维雷诺时均N-S方程对其进行了5通道高精度非定常数值研究。借助时间精确的数值模拟，获得了实壁和喷气工况下压气机转子的基元级性能、总性能和叶顶流场非定常特征。研究发现，在相同流量水平下，较之实壁工况，微喷气可以显著改变叶顶流场非定常特征的时空分布，削弱叶顶流场的自激振荡幅值。微喷气通过改变叶顶瞬态攻角对流场施加影响，叶栅掠过喷嘴过程中，正对喷嘴部位的攻角会发生突降，流场扩压程度和阻塞水平关于攻角突变的响应呈现出强烈的时滞性和非线性，攻角突降所诱导出的低阻塞水平在时域内持续时间约为低攻角水平持续时间的3倍。微喷气能够提高叶栅的承载能力，增强其对时均攻角的耐受力，拓宽流量裕度，增大吸力面分离在诱发流动失稳过程中的贡献比例。
2017, 38(10):2280-2289.
摘要:
为揭示动叶旋转与机匣相对转动对涡轮叶栅流场结构和气动性能的影响，针对平顶和翼型冠叶顶的LISA1.5级涡轮动叶片，开展了三维数值模拟研究。结果表明:平顶叶栅中，机匣相对转动能降低泄漏损失，但通道涡强度增大，旋转离心力和科氏力亦对旋涡位置和尺度产生影响；叶顶结构不同会影响各转动条件下的损失变化规律，相对于动叶旋转工况，机匣相对转动可使平顶叶栅出口损失降低3.62%，但使翼型冠叶栅损失提高12.11%；在间隙泄漏流流量方面，不论是平顶叶栅还是翼型冠叶栅，机匣相对转动时叶顶泄漏流量最低，动叶旋转工况次之，静止工况最大。实验中用机匣相对运动代替动叶旋转在研究泄漏流特征时具有一定的合理性，而对于研究旋转效应对通道涡的影响方面则会产生误差。
为揭示动叶旋转与机匣相对转动对涡轮叶栅流场结构和气动性能的影响，针对平顶和翼型冠叶顶的LISA1.5级涡轮动叶片，开展了三维数值模拟研究。结果表明:平顶叶栅中，机匣相对转动能降低泄漏损失，但通道涡强度增大，旋转离心力和科氏力亦对旋涡位置和尺度产生影响；叶顶结构不同会影响各转动条件下的损失变化规律，相对于动叶旋转工况，机匣相对转动可使平顶叶栅出口损失降低3.62%，但使翼型冠叶栅损失提高12.11%；在间隙泄漏流流量方面，不论是平顶叶栅还是翼型冠叶栅，机匣相对转动时叶顶泄漏流量最低，动叶旋转工况次之，静止工况最大。实验中用机匣相对运动代替动叶旋转在研究泄漏流特征时具有一定的合理性，而对于研究旋转效应对通道涡的影响方面则会产生误差。
2017, 38(10):2290-2297.
摘要:
为了控制和降低压气机中由叶尖间隙引起的泄漏损失，对加装不同形状的吸力面小翼变间隙流场进行了实验研究。通过五孔探针测量叶栅出口流场，详细分析了不同间隙下吸力面叶尖小翼对压气机叶栅出口流场结构、气动损失和通流能力的影响。结果表明:与常规叶栅相比，附加吸力面小翼的叶栅泄漏涡涡核向远离叶片吸力面移动，且强度明显减弱，泄漏涡的起始点转移到吸力面小翼的最大厚度轴向位置处。不同形状的吸力面小翼在大间隙高度下对叶栅损失的影响较为明显，其中SW25方案叶栅在3%h间隙高度下效果最佳，可使叶栅出口总压损失降低15.38%。研究的三种不同形状的吸力面小翼仅在小间隙高度下改善了叶尖泄漏涡造成的叶栅出口气流角的过偏转/欠偏转现象。
为了控制和降低压气机中由叶尖间隙引起的泄漏损失，对加装不同形状的吸力面小翼变间隙流场进行了实验研究。通过五孔探针测量叶栅出口流场，详细分析了不同间隙下吸力面叶尖小翼对压气机叶栅出口流场结构、气动损失和通流能力的影响。结果表明:与常规叶栅相比，附加吸力面小翼的叶栅泄漏涡涡核向远离叶片吸力面移动，且强度明显减弱，泄漏涡的起始点转移到吸力面小翼的最大厚度轴向位置处。不同形状的吸力面小翼在大间隙高度下对叶栅损失的影响较为明显，其中SW25方案叶栅在3%h间隙高度下效果最佳，可使叶栅出口总压损失降低15.38%。研究的三种不同形状的吸力面小翼仅在小间隙高度下改善了叶尖泄漏涡造成的叶栅出口气流角的过偏转/欠偏转现象。
2017, 38(10):2298-2305.
摘要:
为了强化布置三角形涡发生器的U型通道综合换热性能，耦合基于子元模型的全局优化算法、三角形涡发生器参数化方法、三维RANS方程求解技术与基于总变差分析的知识挖掘技术，建立了高效的三角形涡发生器综合换热性能优化与知识挖掘方法。在验证本文数值方法正确性的基础上，以综合换热性能最优为目标函数，对布置于U型通道内的三角形涡发生器进行设计优化与知识挖掘。优化后，最优设计的三角形涡发生器诱导产生的下洗涡对的强度和间距增加，使得U型通道的综合换热性能相对提高了14.5%。同时对设计空间进行知识挖掘，筛选对综合换热性能影响显著的设计变量，分析显著变量对目标函数的影响机制。结果表明:三角形涡发生器的高度对通道换热能力和阻力损失的影响最为显著，而三角形涡发生器的宽度对通道综合换热性能的影响最为显著。
为了强化布置三角形涡发生器的U型通道综合换热性能，耦合基于子元模型的全局优化算法、三角形涡发生器参数化方法、三维RANS方程求解技术与基于总变差分析的知识挖掘技术，建立了高效的三角形涡发生器综合换热性能优化与知识挖掘方法。在验证本文数值方法正确性的基础上，以综合换热性能最优为目标函数，对布置于U型通道内的三角形涡发生器进行设计优化与知识挖掘。优化后，最优设计的三角形涡发生器诱导产生的下洗涡对的强度和间距增加，使得U型通道的综合换热性能相对提高了14.5%。同时对设计空间进行知识挖掘，筛选对综合换热性能影响显著的设计变量，分析显著变量对目标函数的影响机制。结果表明:三角形涡发生器的高度对通道换热能力和阻力损失的影响最为显著，而三角形涡发生器的宽度对通道综合换热性能的影响最为显著。
2017, 38(10):2306-2313.
摘要:
为研究进气旋流畸变对轴流压气机失速发展过程的影响，设计了一种叶片式旋流畸变发生器。通过改变叶片式旋流畸变发生器的叶片安装方式来改变进口气流流向，产生对涡或整体涡，研究均匀进气、对涡和整体涡进气条件下低速轴流压气机失速发展的特点。试验结果表明:旋流畸变发生器达到了预期的设计要求，在压气机进口前产生了对涡和整体涡。压气机转子对进口旋流畸变有很大的影响，对正向旋流有一定加强作用，使正向旋流强度增大；对反向旋流有一定抑制作用。旋流畸变减小了压气机的稳定裕度，切向气流角越大效果越明显，使其更快进入失速，其中以对涡进气和正向涡进气条件下最为明显。旋流畸变进气条件下压气机中失速团的产生机理不发生改变，失速团传播频率不发生改变。
为研究进气旋流畸变对轴流压气机失速发展过程的影响，设计了一种叶片式旋流畸变发生器。通过改变叶片式旋流畸变发生器的叶片安装方式来改变进口气流流向，产生对涡或整体涡，研究均匀进气、对涡和整体涡进气条件下低速轴流压气机失速发展的特点。试验结果表明:旋流畸变发生器达到了预期的设计要求，在压气机进口前产生了对涡和整体涡。压气机转子对进口旋流畸变有很大的影响，对正向旋流有一定加强作用，使正向旋流强度增大；对反向旋流有一定抑制作用。旋流畸变减小了压气机的稳定裕度，切向气流角越大效果越明显，使其更快进入失速，其中以对涡进气和正向涡进气条件下最为明显。旋流畸变进气条件下压气机中失速团的产生机理不发生改变，失速团传播频率不发生改变。
2017, 38(10):2314-2322.
摘要:
为了研究在实验中发现的角区分离区域内速度概率密度分布(PDF)双峰现象并探索其机理，利用脱体涡模拟(DES)对压气机叶栅中角区分离流动进行数值模拟，成功模拟出双峰现象，并讨论了双峰现象的可能机理。DES模拟结果中，双峰点位置以及内外峰随双峰点位置变化而此消彼长的发展趋势与实验结果一致。对来流攻角脉动特性的分析表明，角区分离中双峰现象与叶栅前缘附近非定常来流和角区内分离流动的相互作用有关。
为了研究在实验中发现的角区分离区域内速度概率密度分布(PDF)双峰现象并探索其机理，利用脱体涡模拟(DES)对压气机叶栅中角区分离流动进行数值模拟，成功模拟出双峰现象，并讨论了双峰现象的可能机理。DES模拟结果中，双峰点位置以及内外峰随双峰点位置变化而此消彼长的发展趋势与实验结果一致。对来流攻角脉动特性的分析表明，角区分离中双峰现象与叶栅前缘附近非定常来流和角区内分离流动的相互作用有关。
2017, 38(10):2323-2330.
摘要:
为准确计算分析带冠涡轮叶片振动特性的非确定性问题，将区间组合法与有限元法相结合，发展了适用于复杂结构振动特性的区间求解方法，并建立了基于商用有限元软件的区间振动特性求解流程。考虑工况温度、叶冠接触状态和榫头约束角刚度的分散性，对带冠涡轮叶片的模态特性和振动响应进行了求解，研究得到了典型结构、载荷等非确定性参数对叶片振动特性的影响规律。研究结果表明，与蒙特卡洛法相比，该方法可使计算效率提高10倍以上，计算结果的相对误差不大于50%，获得振动特性的区间结果更为可靠，并且该方法无需对非确定性参数的概率分布进行假设，具有良好的工程应用前景。
为准确计算分析带冠涡轮叶片振动特性的非确定性问题，将区间组合法与有限元法相结合，发展了适用于复杂结构振动特性的区间求解方法，并建立了基于商用有限元软件的区间振动特性求解流程。考虑工况温度、叶冠接触状态和榫头约束角刚度的分散性，对带冠涡轮叶片的模态特性和振动响应进行了求解，研究得到了典型结构、载荷等非确定性参数对叶片振动特性的影响规律。研究结果表明，与蒙特卡洛法相比，该方法可使计算效率提高10倍以上，计算结果的相对误差不大于50%，获得振动特性的区间结果更为可靠，并且该方法无需对非确定性参数的概率分布进行假设，具有良好的工程应用前景。
2017, 38(10):2331-2339.
摘要:
为探究楔形涡流发生器流动控制技术的作用机理，对一低来流马赫数高负荷扩压叶栅开展数值模拟研究。提出在叶片前缘安装涡流发生器的方案，并对比分析了采用涡流发生器前后叶栅性能及通道内二次流结构的改变。研究结果表明，楔形涡流发生器诱导的吸/压力面涡类似于叶片前缘的马蹄涡，卷吸附面层低能流体，提高其抗逆压梯度能力，进而削弱横向流动，抑制角区分离；涡流发生器的强漩涡结构改善了叶栅通道二次流，使得损失重新分布，叶栅-3°到7°攻角范围内的气动性能显著提升，设计点-1°攻角时平均总压损失系数下降8.04%，平均静压系数增大7.75%，5°攻角时平均总压损失系数下降15.87%，平均静压系数增大21.79%。
为探究楔形涡流发生器流动控制技术的作用机理，对一低来流马赫数高负荷扩压叶栅开展数值模拟研究。提出在叶片前缘安装涡流发生器的方案，并对比分析了采用涡流发生器前后叶栅性能及通道内二次流结构的改变。研究结果表明，楔形涡流发生器诱导的吸/压力面涡类似于叶片前缘的马蹄涡，卷吸附面层低能流体，提高其抗逆压梯度能力，进而削弱横向流动，抑制角区分离；涡流发生器的强漩涡结构改善了叶栅通道二次流，使得损失重新分布，叶栅-3°到7°攻角范围内的气动性能显著提升，设计点-1°攻角时平均总压损失系数下降8.04%，平均静压系数增大7.75%，5°攻角时平均总压损失系数下降15.87%，平均静压系数增大21.79%。
2017, 38(10):2340-2347.
摘要:
实验中发现了一种起始于叶根的新型压气机失速先兆，为了探索这种先兆的初始扰动特征及失速的动态发展机制，对该压气机开展全周非定常数值研究。数值结果表明，在压气机进入失速的过程中，静子叶根区域首先形成堵塞区，验证了失速初始扰动起源于叶根区域。该扰动由六个轴对称分布、以45%转子转速旋转的堵塞团组成。随着失速程度的加深，静子叶根堵塞团在低叶高范围内合并为整圈的分离区，造成整个叶根区域流动的堵塞。叶根的堵塞导致气流从堵塞区上方绕行，加快了叶尖区域的流动速度，激波的增强导致叶顶泄漏涡破碎程度加剧，形成转子叶尖堵塞区并发展为旋转失速团，最终导致压气机失速。
实验中发现了一种起始于叶根的新型压气机失速先兆，为了探索这种先兆的初始扰动特征及失速的动态发展机制，对该压气机开展全周非定常数值研究。数值结果表明，在压气机进入失速的过程中，静子叶根区域首先形成堵塞区，验证了失速初始扰动起源于叶根区域。该扰动由六个轴对称分布、以45%转子转速旋转的堵塞团组成。随着失速程度的加深，静子叶根堵塞团在低叶高范围内合并为整圈的分离区，造成整个叶根区域流动的堵塞。叶根的堵塞导致气流从堵塞区上方绕行，加快了叶尖区域的流动速度，激波的增强导致叶顶泄漏涡破碎程度加剧，形成转子叶尖堵塞区并发展为旋转失速团，最终导致压气机失速。
2017, 38(10):2348-2357.
摘要:
为了探究影响高负荷风扇的失稳机制，对风扇第二级静子叶根角区气流分离的形成原因进行了研究，分析了不同换算转速对角区的流动状态以及壁角涡形成与发展的影响。研究表明，经过静子叶根前缘的气流逐渐发展形成了壁角涡，而壁角涡的存在促使了静子吸力面角区的气流分离，且随着风扇工况向近失速点移动，更多的角区气流直接参与了壁角涡的形成。在所研究的范围内，换算转速增加会导致壁角涡强度增加、影响范围扩大；在95% ~ 105%换算转速，壁角涡是引起角区气流分离的主要因素，而在85%换算转速，壁角涡已不再是引起角区气流分离和风扇失稳的主要原因。
为了探究影响高负荷风扇的失稳机制，对风扇第二级静子叶根角区气流分离的形成原因进行了研究，分析了不同换算转速对角区的流动状态以及壁角涡形成与发展的影响。研究表明，经过静子叶根前缘的气流逐渐发展形成了壁角涡，而壁角涡的存在促使了静子吸力面角区的气流分离，且随着风扇工况向近失速点移动，更多的角区气流直接参与了壁角涡的形成。在所研究的范围内，换算转速增加会导致壁角涡强度增加、影响范围扩大；在95% ~ 105%换算转速，壁角涡是引起角区气流分离的主要因素，而在85%换算转速，壁角涡已不再是引起角区气流分离和风扇失稳的主要原因。
2017, 38(10):2358-2364.
摘要:
为了提高微型涡喷发动机综合性能，对其单级向心涡轮导向器进行改进设计。改进设计中，采用发动机性能试验摸底导向器物理喉部面积，全三维气动手段优化叶片型线方法，提高涡轮级气动性能。数值计算得出:在近设计点处，涡轮级流量增加约12.5%，效率提升约2.5%。发动机性能试验表明:在设计转速下，推力增幅达21.7%，燃油耗油率降低12%。改进设计的涡轮导向器性能满足发动机总体要求。
为了提高微型涡喷发动机综合性能，对其单级向心涡轮导向器进行改进设计。改进设计中，采用发动机性能试验摸底导向器物理喉部面积，全三维气动手段优化叶片型线方法，提高涡轮级气动性能。数值计算得出:在近设计点处，涡轮级流量增加约12.5%，效率提升约2.5%。发动机性能试验表明:在设计转速下，推力增幅达21.7%，燃油耗油率降低12%。改进设计的涡轮导向器性能满足发动机总体要求。
2017, 38(10):2365-2373.
摘要:
为了提升高负荷两级轴流压气机的失速裕度，在分析传统缝式机匣处理无法扩稳的流动机理基础上，设计了一种耦合型机匣处理结构，采用三维数值模拟对该结构进行了优化设计。针对优化的耦合型机匣处理进行了非定常数值模拟，阐述了该机匣处理的扩稳机理以及机匣处理作用下压气机新的失速机制。研究表明，两级高负荷压气机的失速由第一级转子叶顶强激波诱发的附面层分离引起，缝式机匣处理无法有效消除该附面层分离引起的通道堵塞，因而无法提高该压气机的失速裕度。耦合型机匣处理结合了缝式机匣处理和自循环机匣处理各自的优势，将第一级转子叶顶的低能流体抽吸至进口导叶通道，极大改善了转子叶顶的流动状况，使压气机的稳定工作范围提高了49.3%，设计点效率提升了0.54%。在耦合型机匣处理的作用下，静子通道内集中脱落涡诱发的通道堵塞成为触发压气机失速的新因素。
为了提升高负荷两级轴流压气机的失速裕度，在分析传统缝式机匣处理无法扩稳的流动机理基础上，设计了一种耦合型机匣处理结构，采用三维数值模拟对该结构进行了优化设计。针对优化的耦合型机匣处理进行了非定常数值模拟，阐述了该机匣处理的扩稳机理以及机匣处理作用下压气机新的失速机制。研究表明，两级高负荷压气机的失速由第一级转子叶顶强激波诱发的附面层分离引起，缝式机匣处理无法有效消除该附面层分离引起的通道堵塞，因而无法提高该压气机的失速裕度。耦合型机匣处理结合了缝式机匣处理和自循环机匣处理各自的优势，将第一级转子叶顶的低能流体抽吸至进口导叶通道，极大改善了转子叶顶的流动状况，使压气机的稳定工作范围提高了49.3%，设计点效率提升了0.54%。在耦合型机匣处理的作用下，静子通道内集中脱落涡诱发的通道堵塞成为触发压气机失速的新因素。
2017, 38(10):2374-2380.
摘要:
基于在一台单级低速轴流压气机上发现的增大叶尖负荷可以使其失稳先兆由模态波变为突尖波的现象，一种假设认为失速先兆的类型与压气机径向负荷分布有着密切的联系。对此，设计了一系列实验来验证叶根负荷大小对压气机失速先兆类型及其失稳发展过程的影响。通过在压气机进口安装特殊设计的叶根畸变屏，可以实现压气机工作在不同的径向负荷分布。均匀来流条件下压气机最终的失速是由模态波引起，在此基础上加装叶根畸变屏增大叶根负荷，压气机仍发生模态波型失速，但经过仔细分析数据后发现，由线性增长的模态波转化为最终大幅值旋转失速团的时间间隔却相较增大。在这段过程中，转子进口壁面压力信号显示叶尖区域不存在完整的周向传播扰动。与此同时，叶根处先兆信号幅值相较变大。进一步加大叶根负荷，叶根区域失速先兆的压力脉动变得更加剧烈，使得气流沿叶片径向的流动和掺混加剧，从而进一步延迟了先兆诱发失速团出现的时间。综上，通过研究表明:增大叶根负荷，压气机失稳过程发生改变，失速先兆诱发旋转失速团出现的时间延长；在叶根区域，失速先兆脉动信号随着叶根负荷的增大而愈发强烈；径向负荷分布是影响压气机失稳过程发生变化的重要因素。
基于在一台单级低速轴流压气机上发现的增大叶尖负荷可以使其失稳先兆由模态波变为突尖波的现象，一种假设认为失速先兆的类型与压气机径向负荷分布有着密切的联系。对此，设计了一系列实验来验证叶根负荷大小对压气机失速先兆类型及其失稳发展过程的影响。通过在压气机进口安装特殊设计的叶根畸变屏，可以实现压气机工作在不同的径向负荷分布。均匀来流条件下压气机最终的失速是由模态波引起，在此基础上加装叶根畸变屏增大叶根负荷，压气机仍发生模态波型失速，但经过仔细分析数据后发现，由线性增长的模态波转化为最终大幅值旋转失速团的时间间隔却相较增大。在这段过程中，转子进口壁面压力信号显示叶尖区域不存在完整的周向传播扰动。与此同时，叶根处先兆信号幅值相较变大。进一步加大叶根负荷，叶根区域失速先兆的压力脉动变得更加剧烈，使得气流沿叶片径向的流动和掺混加剧，从而进一步延迟了先兆诱发失速团出现的时间。综上，通过研究表明:增大叶根负荷，压气机失稳过程发生改变，失速先兆诱发旋转失速团出现的时间延长；在叶根区域，失速先兆脉动信号随着叶根负荷的增大而愈发强烈；径向负荷分布是影响压气机失稳过程发生变化的重要因素。
2017, 38(10):2381-2392.
摘要:
在典型中小型航空发动机空气系统中，用于高压涡轮冷却、封严的空气一般需要经过离心压气机叶轮背腔，因此掌握以离心压气机叶轮背腔为代表的向心入流转静系盘腔内流动特点及压力分布是保证空气系统各项功能实现的关键。采用数值模拟方法对带有向心入流的转静系盘腔流动开展研究，研究不同来流条件下不同间距比的转静系盘腔流动特点及盘腔内压力分布。结果表明:在间距比G=0.01～0.2内，不同进口条件下盘腔内的流动均为Batchelor流型，即转盘与静盘具有独立边界层，边界层之间为核心区；当径向罗斯比数远小于1时，在核心区内流动满足径向平衡方程，此时盘腔内旋转比分布决定了盘腔内压力分布；对于满足径向平衡方程的此类盘腔，盘腔内流动由进口旋转比[β0]、紊流参数[λT]、间距比G决定；进一步的，得到了不同[β0]，[λT]，G下盘腔出口旋转比及核心区内旋转比变化规律，分析发现小间距比工况下核心区内旋转比满足5/7幂指数关系；大间距比工况下旋转比满足修正5/7幂指数关系，通过得到的旋转比关联式可以计算出盘腔内的压力分布。
在典型中小型航空发动机空气系统中，用于高压涡轮冷却、封严的空气一般需要经过离心压气机叶轮背腔，因此掌握以离心压气机叶轮背腔为代表的向心入流转静系盘腔内流动特点及压力分布是保证空气系统各项功能实现的关键。采用数值模拟方法对带有向心入流的转静系盘腔流动开展研究，研究不同来流条件下不同间距比的转静系盘腔流动特点及盘腔内压力分布。结果表明:在间距比G=0.01～0.2内，不同进口条件下盘腔内的流动均为Batchelor流型，即转盘与静盘具有独立边界层，边界层之间为核心区；当径向罗斯比数远小于1时，在核心区内流动满足径向平衡方程，此时盘腔内旋转比分布决定了盘腔内压力分布；对于满足径向平衡方程的此类盘腔，盘腔内流动由进口旋转比[β0]、紊流参数[λT]、间距比G决定；进一步的，得到了不同[β0]，[λT]，G下盘腔出口旋转比及核心区内旋转比变化规律，分析发现小间距比工况下核心区内旋转比满足5/7幂指数关系；大间距比工况下旋转比满足修正5/7幂指数关系，通过得到的旋转比关联式可以计算出盘腔内的压力分布。
2017, 38(10):2393-2400.
摘要:
为了探索串列叶轮的设计方法和实际应用，在常规离心叶轮的基础上，利用轴流压气机和离心叶片设计方法实现了串列叶轮设计，借助经过校核的数值模拟手段，对带串列叶轮的离心压气机内部流动进行了详细数值模拟，研究了诱导轮和导风轮之间相对周向位置对串列叶轮内部流场及气动性能的影响。研究表明:串列叶轮的引入能够不同程度改善离心压气机性能，且诱导轮与导风轮之间的相对周向位置对气动性能具有较大的影响，在[λs]=25%周向相对位置下，串列叶轮的引入使得压气机级综合裕度和峰值效率分别提高了1.3%和1.4%。与常规叶轮相比，合理布局的串列叶轮能够有效控制离心叶轮内部附面层的发展并改善离心叶轮内部流场特性以及离心叶轮出口流场品质，从而有效提高高压比离心压气机的性能和稳定工作裕度。
为了探索串列叶轮的设计方法和实际应用，在常规离心叶轮的基础上，利用轴流压气机和离心叶片设计方法实现了串列叶轮设计，借助经过校核的数值模拟手段，对带串列叶轮的离心压气机内部流动进行了详细数值模拟，研究了诱导轮和导风轮之间相对周向位置对串列叶轮内部流场及气动性能的影响。研究表明:串列叶轮的引入能够不同程度改善离心压气机性能，且诱导轮与导风轮之间的相对周向位置对气动性能具有较大的影响，在[λs]=25%周向相对位置下，串列叶轮的引入使得压气机级综合裕度和峰值效率分别提高了1.3%和1.4%。与常规叶轮相比，合理布局的串列叶轮能够有效控制离心叶轮内部附面层的发展并改善离心叶轮内部流场特性以及离心叶轮出口流场品质，从而有效提高高压比离心压气机的性能和稳定工作裕度。
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