压气机叶尖涡-涡相干机理及控制策略研究

The tip leakage vortex is one of the most important flow structures which influence the loss and stability of axial compressors. Based on the interaction mechanism of lex vortex and the wing vortex of external flow, the interaction mechanisms and control strategies of tip leakage vortex with upstream vortexes and the vortexes introduced by the vortex generator on the blade surface (VIVGS) are to be investigated, utilizing theoretical analysis, numerical simulation and experimental methods. Firstly, the influence mechanisms of compressor key design parameters on the tip leakage vortex and the interactions of tip vortexes are to be investigated, with the aim of selecting better values of design parameters for compressors. Secondly, the unsteady interaction mechanisms of upstream vortexes and VIVGS with the tip leakage vortex are to be studied, and the loss of the tip region will be estimated; then the vortex-vortex interaction method of controlling tip leakage vortex will be developed based on the investigation. Thirdly, based on the investigation of mechanisms of tip leakage vortex breakdown, the unsteady interaction mechanisms of upstream vortexes and VIVGS with the broken tip leakage vortex are to be studied, and then the suppressing method of tip leakage vortex breakdown will be developed based on that. The ultimate goal of this study is to investigate the vortex-vortex interaction mechanisms in the tip region of axial compressors and developing the control techniques of tip leakage loss and tip leakage vortex breakdown with vortex-vortex interaction concept, which will be beneficial for the developing of future compressors with low loss and high stability.

叶尖泄漏涡是轴流压气机内影响损失和稳定性的重要流动结构之一。拟借鉴外流边条涡、主翼涡之间的涡-涡相干机理，采用理论分析、数值模拟和叶栅实验相结合的方法，探索来流涡系、叶表引入涡系与压气机叶尖泄漏涡的相干机理及其控制策略。首先，将研究压气机典型设计参数对叶尖泄漏涡变化、叶尖涡系相干的影响机理，为压气机设计时的参数选取提供参考依据；其次，探究来流涡系、叶表引入涡系与叶尖泄漏涡的非定常相干机理，评估不同涡系干涉下叶尖区域的损失水平，发展控制叶尖泄漏涡、降低泄漏流损失的涡-涡相干方法；最后，在研究压气机叶尖泄漏涡破碎机理的基础上，探究来流涡系、叶表引入涡系与发生破碎的泄漏涡的非定常相干机理，发展叶尖泄漏涡破碎的涡-涡相干抑制方法。最终，通过压气机叶尖涡-涡相干机理的研究，发展降低泄漏流损失、抑制泄漏涡破碎的涡-涡相干控制方法，为具有低损失水平、高稳定性轴流压气机的设计提供新技术储备。

叶尖泄漏涡是轴流压气机内影响损失和稳定性的重要流动结构之一。该项目借鉴外流边条涡、主翼涡之间的涡-涡相干机理，采用理论分析、数值模拟和叶栅实验相结合的方法，探索了来流涡系、叶表引入涡系与压气机叶尖泄漏涡的相干机理及其控制策略。首先，研究了压气机典型设计参数对叶尖泄漏涡变化、叶尖涡系相干的影响机理，研究发现：随着叶尖间隙增加，泄漏涡强度增加，泄漏流损失增大；减小叶尖负荷和吸力峰前移可以通过降低逆压梯度来抑制涡破碎的发生，从而降低泄漏流损失，反之，增大叶尖负荷和吸力峰后移会加剧泄漏涡破碎、增大泄漏流损失。其次，分别探究了来流涡系、叶表引入涡系与叶尖泄漏涡的非定常相干机理，评估了不同涡系干涉下叶尖区域的损失水平，发展了控制叶尖泄漏涡、降低泄漏流损失的涡-涡相干方法，研究发现：同向来流涡在特定周向相对位置会与叶尖泄漏涡相互融合，增大泄漏涡的强度，从而增大泄漏流损失，反向来流涡与叶尖泄漏涡的干涉效应不显著；同向叶表引入涡对叶尖泄漏涡的影响与同向来流涡相同，反向叶表引入涡可减小叶尖泄漏涡的范围，从而减小泄漏流损失。最后，在研究压气机叶尖泄漏涡破碎机理的基础上，探究了来流涡系、叶表引入涡系与发生破碎的泄漏涡的非定常相干机理，发展了叶尖泄漏涡破碎的涡-涡相干抑制方法，研究发现：同向来流涡在特定周向相对位置下、及叶表引入涡会与叶尖泄漏涡融合，增强叶尖泄漏涡的稳定性，有效抑制了叶尖泄漏涡的破碎；反向引入涡在与叶尖泄漏涡的干涉过程中会增强泄漏涡的螺旋度，推迟泄漏涡破碎的发生。最终，发展了降低泄漏流损失、抑制泄漏涡破碎的涡-涡相干控制方法，使得某压气机效率绝对值提高0.37%、稳定裕度相对值增大38.93%，为具有低损失水平、高稳定性轴流压气机的设计提供新技术储备。