叶顶泄漏流动的脉动频率及时空结构特性研究

The unsteady tip leakage flow of axial compressor is the research object in this project, and it focuses on two major scientific issues, that are the unsteady characteristic, and the modal characteristics, energy structure distribution and time-space propagation of tip leakage flow. Dynamic pressure sensor and hotwire probe are used to measure the unsteady characteristics of tip leakage flow. The mechanism of tip leakage flow generation, and aerodynamic, structural parameters impact to the tip leakage flow are analyzed based on the pressure and hotwire results above. And the mathematical model of frequency of tip leakage flow is brought forward according to the analyses. Meanwhile, the advanced high frequency response flow flied test technique combined with advanced data analysis tools, such as Proper Orthogonal Decomposition POD and Dynamic Mode Decomposition DMD and other analytical methods to study the proper mode, the energy structure and stability of tip leakage flow, as well as the leakage flow spread between the stage. Through this project, contribute to a more in-depth knowledge about the occur, development and dissipation characteristics of complex unsteady tip leakage flow, and establish the intrinsic relationship between leakage flow pulsation frequency and aerodynamic, structural parameters of compressor, and further enrich the understanding of the tip leakage flow.

本项目以转子的叶顶泄漏流动为研究对象，针对叶顶泄漏流动的脉动特性以及泄漏流的模态特征、能量结构分布及其级间时空传播特性两个主要的科学问题展开研究。采用动态压力传感器和热线探针测量叶顶泄漏流的脉动特性，分析泄漏流动产生的机理以及影响泄漏流的气动、结构参数，建立脉动频率的数学模型。以此为基础，采用高频响流场测试手段结合先进的数据分析手段本征正交分解POD和动态模式分解DMD等分析方法，研究叶顶泄漏流动的本征模态、能量结构分布和稳定性，以及泄漏流动在级间传播的时空演化规律。通过本项目的研究，有助于更深入的揭示压气机转子叶顶泄漏流这一复杂非定常流动现象发生、发展和耗散的物理机制及其时空演变图像，建立起泄漏流动脉动频率与压气机气动参数的内在关联关系，进一步丰富对叶顶泄漏流动的认识。

叶顶区域的泄漏流动是一种非常复杂的三维粘性流动，表现出强非定常性、强剪切性、多尺度特性，是流体力学中最难研究的现象之一。压气机叶顶泄漏流动对压气机的性能和稳定性有着极其重要的影响，研究表明，叶顶泄漏的影响不仅仅限于造成流动损失，它在近失速工况时表现出来的非定常波动特性与转子的旋转失速有密切的关系，近几年关于压气机失速的控制方法的研究进一步说明从叶顶泄漏流非定常特征和空间结构特征两方面研究叶顶泄漏流动的必要性。另外，在设计工况和近失速工况，叶顶泄漏流引发下游叶片表面的非定常脉动增加气动噪声。回顾大量相关研究的文献，可以发现无论是失速研究、泄漏流研究以及噪声研究，发展到今天都在关注泄漏流的非定常性，使叶顶泄漏流动成为研究的热点问题。本项目以压气机转子的叶顶泄漏流动为研究对象，针对叶顶泄漏流动的脉动特性以及泄漏流的模态特征、能量结构分布及其级间时空传播特性两个主要的科学问题展开研究。采用动态压力传感器测量叶顶泄漏流的脉动特性，测量得到了在不同流量下,叶顶区域流动的压力脉动特性,通过频谱分析,得到了小流量(不稳定工况)情况下出现了旋转不稳定性脉动频率,以及各阶模态值，频谱呈驼峰状，峰值在0.5倍叶片通过频率附近，并随着流量不同而变化。通过数值模拟分析泄漏流动产生的机理以及传播特性。认为叶顶区域的旋转不稳定性是一种不稳定的压力波，提出了一个理论模型，在已知叶顶泄漏流振荡周期和延迟时间的情况下，可以计算出旋转压力波的模态特性，包括模态波阶数、旋转速度和频率值。并通过对比数值计算结果与理论模型预测结果，验证了理论模型的正确性。以此为基础，采用高频响流场测试手段结合先进的数据分析手段本征正交分解POD 和动态模式分解DMD 等分析方法，研究叶顶泄漏流动的本征模态、能量结构分布。通过本项目的研究，有助于更深入的揭示压气机转子叶顶泄漏流这一复杂非定常流动现象发生、发展和耗散的物理机制及其时空演变过程，建立起泄漏流动脉动模特的传播方程，进一步丰富对叶顶泄漏流动的认识，为下一步旋转失速的研究提供重要的参考。