基于边界涡量流的浸入式运动边界方法研究

对于高速旋转的叶轮机械进行失速、喘振等非定常不稳定流动进行预测是目前世界上仍然面临的流体力学难题之一。其难点在于以下几方面：对于叶轮机失速点全周三维非定常流场的快速求解和失速扰动传播中的非定常力的精确模拟问题；由于叶片的运动或变形而导致的运动固壁边界信息的传递和微分不连续等数学定解问题；上述物理和数学的两类问题在多空间和时间尺度求解时的确定性丧失问题等。本项研究利用边界涡量流等涡动力学泛函来施加浸入式运动边界条件，在保证物理上动力学守恒的同时，通过边界涡量流与固壁几何的天然物理联系，把固壁边界的空间变化转换为当地压力梯度即力源的变化；同时，通过建立周向涡量与周向平均的粘性力的物理数学联系，简化粘性体积力模型，在极大节省计算资源的情况下仍能保持较高的求解精度。项目所研究的计算方法将通过精心设计的实验进行验证，其研究成果对于快捷、准确的失速/喘振预测有很大的工程应用价值。

为进一步拓宽压气机的稳定工作裕度，推迟失速/喘振等流动不稳定现象的发生；在压气机设计水平提高，压气机叶片负荷整体增高的背景下，开展对于压气机失速/喘振现象的预测工作是必要的。本项基金立足于开发新型非定常数值模拟工具，并进行了压气机尤其是跨音压气机失速/喘振现象的预测，发现了新的物理现象，取得了以下创新成果：.“算得快”——通过一种基于突跃条件（物理量在边界两侧的突变）的浸入式界面方法，发展了一套完整的针对中、低Re数的不可压流动的 CFD 程序，该方法具有高精度、高计算效率的特点。.“算得准”——通过考虑径向掺混效应，从而更加准确地刻画压气机内部流场，有利于更准确地在快速预测方法中模拟端区的失速扰动。通过将径向掺混系数加入到体积力模型，从而更准确地捕捉压气机的端区扰动，并快速精确地模拟扰动在压气机中的传播状态。.“抓得对”——以跨音轴流压气机为研究对象，经过合理布局实验测点，发现了不同于国际公认的两种失速先兆的新物理现象，在世界上首次公开提出了新型失速先兆——局部喘振（Partial Surge）；通过揭示局部喘振的发生机理，结合突尖波、模态波的发生条件，证明了压气机径向负荷分布可以影响失速先兆发生的位置和形态。.“用得好”——本项基金对影响径向负荷分布和端区径向掺混效果的关键变量进行研究，发展了压气机叶片造型的快速响应面优化方法，最优化分配了叶片径向负荷分布，优化了间隙的变化规律，有效地降低了激波损失和泄漏损失。.基金基本按原计划执行，但根据实际进展情况调整了部分研究内容，并针对新的物理发现扩展了研究内容，研究成果引起了国际叶轮机不稳定流动学术界的广泛关注，共发表SCI期刊论文9篇、EI期刊论文25篇，国际会议论文6篇，获授权国家发明专利1项，培养博士生7名、硕士7名，达到了基金研究目标。