基于合成射流激励的高负荷扩压叶栅非定常振荡抽吸机理研究

The technology of boundary layer suction has exhibited tremendous potential in controlling flow separation in highly-loaded compression cascades. However, it is documented by existing reports that this method is sensitive to the location and flow mass rate of suction, which leads to poorer adaptability to variable operating conditions. In this project, the synthetic jet will be introduced into the process of boundary layer suction. By controlling suction flow rate unsteadily via placing actuators in the tubes of suction system, the capacity of handling variable operating conditions of boundary layer suction technique will be enhanced. In detail, the investigation of synthetic jet controlling pipe flow rate will be conducted numerically and experimentally. On this basis, the transportation and attenuation pattern of synthetic jet actuation in the fluid will be revealed as well as the response of pipe flow rate to the input signal. In addition, boundary layer oscillating suction in highly-loaded compressor cascades will be studied through numerical and experimental methods. By comparison with the counterparts utilizing steady boundary layer suction, the evolving mechanism of unsteady characteristics of fluids controlled by different (steady and oscillating) methodologies will be clarified. Meanwhile, the principle of unsteady oscillating suction will be discovered. .This research aims at expanding the applicable field of boundary layer suction technique and providing technical support to its practical application.

附面层抽吸技术在高负荷扩压叶栅分离流动控制中表现出了巨大的应用潜力，但现有的研究也表明，该技术对抽吸位置、抽吸流量具有敏感的依赖性，变工况适应能力较差。本项目将合成射流引入附面层的抽吸过程，通过在抽吸管路布置合成射流激励器实现抽吸流量的非定常控制，以此提升附面层抽吸技术的变工况适应能力。具体将开展合成射流控制管道流量的实验与数值研究，揭示合成射流控制信号在管道流体内部的输运及衰减规律，阐明管道流量对控制信号的响应特性；在高负荷扩压叶栅内开展附面层非定常振荡抽吸的实验与数值研究，为了对比分析，同时开展附面层定常抽吸的相关工作，明晰不同控制方式下的流场非定常特征的演变机制，探索附面层非定常振荡抽吸的控制机理。通过本项目的研究，以期拓展附面层抽吸技术的应用范围，为其工程实用提供一定程度的技术支撑。

当前超高负荷压气机迫切需要引入适当的流动控制来抑制叶栅流道内的大尺度分离，附面层抽吸是其中一种具有重要应用潜力的技术。本项目针对传统附面层抽吸技术对抽吸位置、抽吸流量等控制参数极为敏感、变工况适应性差等问题，创新性提出了基于主动激励的附面层振荡抽吸技术。本项目开展了二维扩压叶栅、三维矩形扩压叶栅中的附面层振荡抽吸控制机理研究，发现附面层振荡抽吸继承了定常抽吸在削弱附面层分离方面的优势，在此基础上通过引入周期性激励实现了对流场分离结构的重构，振荡激励后的流场结构更为简单，流场的全局稳定性特征更好。矩形叶栅的流场在振荡激励的作用下，吸力面抽吸槽产生的非定常扰动诱导分离剪切层卷起形成集中涡，原本角区层状的分离涡被离散成独立的展向涡管并向下游输运，显著削弱了时均叶栅损失并改善了叶栅通流情况。现有的数值研究表明，在保证时均抽吸流量一致的条件下，相较于传统的附面层抽吸，振荡抽吸将叶栅的低损失攻角范围从0～2°提升至0～6°，有效抽吸位置从40%～55%轴向弦长提升至20%～65%轴弦长。本项目开展了合成射流激励器的设计研究，结果表明常规的压电式合成射流激励器出口最高射流速度为35m/s，其能量水平不足以实现抽吸流量的周期性振荡。为此本项目进一步开展了抽吸流量激励器研究，设计并制造了机械式流量振荡激励器。基于该激励器，本项目完成了高负荷矩形扩压叶栅的附面层振荡抽吸实验研究，实验结果显示，在设计状态点，振荡抽吸控制后的叶栅损失相对于传统抽吸降低了47.8%。本项目的开展初步揭示了附面层振荡抽吸技术的控制机理，实验验证了该技术更为优异的流动控制效果，有助于推动我国超高负荷压气机的技术发展与工程应用。