压气机旋转失速声学特性及主动控制策略探讨

通过对轴流压气机旋转失速的声学特征的描述，从非定常角度出发对旋转失速发作的原因及其声学特性进行了分析。同时，对轴流压气机非定常现象具有的时间尺度进行了对比研究。建立了考虑旋转失速声学特性的开环系统控制的物理模型，对于揭示轴流压气机旋转失速机理以及进一步对旋转失速进行主动控制提供了理论基础。     

低雷诺数下翼型非线性气动特性及其模型预测

以GA(W)-1翼型为研究对象，通过数值模拟的方法探究了雷诺数对翼型气动特性的影响规律及物理机制，结果显示：翼型在低雷诺数工况下具有突变性、迟滞性等强烈的非线性气动特性，且迟滞环的尺寸随着雷诺数的增大而逐渐减小直到最终消失，翼型前缘分离泡的破碎及该过程的不可逆性是非线性气动特性产生的物理根源。翼型在不同雷诺数工况下的非线性气动特性与尖点突变模型在空间拓扑上具有相似性，于是基于拓扑不变原理，通过发展高精度的拓扑映射方法，构建了尖点突变模型的平衡曲面与翼型非线性气动特性之间的拓扑映射关系，从而利用尖点突变模型的平衡曲面去预测低雷诺数下翼型的非线性气动特性，模型预测误差在5%以内。     

基于节流阀模型跨声速轴流压气机失速特性研究

为了研究跨声速轴流压气机失速特性,基于节流阀模型,对跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 37进行了数值计算,得到了整个失速过程中的流场分布.结果表明,随着阀门进一步关小,压气机逐渐进入旋转失速,在失速发展过程中,失速团逐渐扩展至10％ ～ 20％叶高,并绕着旋转轴以低于转子转速同方向旋转.     

低速轴流压气机旋转失速特性试验

在一台双级低速轴流压气机上进行了均匀进气时的全流量特性试验研究,重点分析了该压气机旋转失速特性随流量系数的变化情况和失速起始特性.试验结果表明,压气机在失速前出现模态波扰动,其传播频率约等于40%转子旋转频率,范围贯穿整台压气机;压气机第二级在模态波扰动诱导下率先进入旋转失速,初始失速团旋转速度为83.3%转子转速;失速团在向第一级扩散传播过程中,其旋转速度逐步降低,最后稳定在41.9%转子转速;失速团旋转频率随着流量系数的降低而减小;失速团范围随着流量系数的减小而逐渐增加.      

预测轴流压气机工作稳定性的非线性模型

建立了预测轴流压气机工作稳定性的非线性模型,采用有限差分数值模拟单转子和一台三级轴流压气机旋转失速的形成和发展过程,预测失速特征参数。由于合理地考虑了失速流动的非定常和非线性因素的影响,大多数失速特征参数的预测结果与试验测量值相符。     

低速轴流压气机旋转失速演化机制研究

为深入探讨轴流压气机旋转失速机理,利用全环非定常数值模拟在出口边界添加节流阀模型模拟压气机节流过程,通过试验测量与数值模拟结果对比分析,澄清了低速轴流压气机失速先兆及失速团的产生和演化过程。研究结果表明：压气机在转子叶片安装角存在几何偏差的情况下,spike型失速先兆是由2阶模态的整阶扰动演化而来,并最终直接形成2个大尺寸全叶高的失速团;与轴对称转子模型相比,考虑存在几何偏差的转子模型的数值模拟结果更为接近试验测量结果。     

轴流压气机小扰动诱发旋转失速的试验研究

为了了解压气机旋转失速产生的原因 ,用试验方法对一低速轴流压气机旋转失速前的小扰动波进行了研究 ,通过分析该扰动波的特性 ,推断出小扰动是从转子进口端壁附面层内产生的 ,该波的振荡是旋转失速产生的根源     

Moses失速模型三维优化修正

通过低速轴流压气机失速实验,结合压气机失速仿真云图以及实验中所测得的叶片径向压力脉动图,发现失速后为部分叶高失速,而不是全叶高失速。基于失速预测Moses模型,通过比较不同径向截面计算得到的总压损失,发现沿径向叶片截面安装角的变化对模型的计算结果有影响,通过引入参数B对模型中的参数k进行改进。经过改进后的模型所预测的结果较原模型能够更加准确地预测压气机失速后的情况,改进后的模型可以为压气机设计提供良好的参考设计数据。对高亚声速轴流压气机进行改进,将高速可压这一因素考虑到模型推导中,对模型进行改进,改进后的模型相较于原模型在预测计算高亚声速轴流压气机压比特性上准确度提升了30%。      

轴流压气机中喘振和旋转失速的数值模拟

基于轴流压气机逐级过失速特性，建立了多级轴流压气机过失速瞬态，包括喘振或旋转失速的分析模型。发展了分析轴流压气机过失速响应的动态滞后方法，并确定了压气机过失速响应的统一时间滞后常数。对一实验轴流压气机的过失速瞬态进行了数值模拟，与实验结果的一致性较好。     

压缩系统过失速过程的数值模拟

基于描述轴流压气机及其系统的动态气动响应的一维非定常数学模型,通过数值求解,即可对系统的过失速过程进行数值模拟。以一台三级压气机为算例,数值模拟了发生于该系统中的喘振和旋转失速现象     

Hysteresis behaviors of compressor rotating stall with cusp catastrophic model

Rotating stall is a complex nonlinear dynamic phenomenon which is always characterized by catastrophe and hysteresis in high aerodynamic-loading compressor. Exploring the key contributing factors and characteristic rules of hysteresis is very important for compressor design and flow instability control. In this paper, a novel model method is proposed to analyze the hysteresis behaviors to extend the understanding of compressor rotating stall. The equilibrium states of compressor system under different conditions are first described based on Moore-Greitzer model. Then, through assessing the stability of the equilibrium points by Liapunov's theorem, the ratio of shutoff head to compressor characteristic semi-height is found to affect the stall hysteresis: the size of hysteresis loop will gradually decrease, even disappear with the increase of the ratio. Combing the effects of both the ratio and throttle coefficient, the hysteresis behaviors of compressor stall under multi-parameters can be found to be consistent with the topological properties of cusp catastrophic model by Thom’s catastrophe theory. Finally, according to topological invariant rules, from the perspective of potential function, the equilibrium surface equation of compressor system is developed by standard cusp catastrophic model to describe the various hysteresis behaviors of compressor rotating stall along different control routes.     

Study on effects of thickness on airfoil-stall at low Reynolds numbers by cusp-catastrophic model based on GA(W)-1 airfoil

The phenomena of an airfoil stall present the behaviors of catastrophe and hysteresis at low Reynolds numbers. Numerical simulation results of two-dimensional airfoil GA(W)-1 show that the width of the hysteresis loop of airfoil stall will gradually decrease and even disappear with the decrease of thickness ratio. These nonlinear characteristics are in accordance with the topological features of the cusp catastrophic model. According to the topological invariant principle, a novel topological mapping method is developed to establish the mapping relationship between cusp catastrophic model and stall characteristics of the airfoil, then the effect of thickness ratio on airfoil stall is successfully described quantitatively by cusp catastrophic model. Further, based on the established topological mapping relationship, combined with the mean flow field of the airfoil stall, potential function approach of cusp catastrophic model is first introduced to interpret the catastrophe and hysteresis of the airfoil stall, and it is found that as the thickness ratio decreases, the system's maximal potential energy gradually disappears, and the short separation bubble at the leading edge of the airfoil changes to long separation bubble, so the airfoil stall changes from a bistable system to a monostable system.     

旋转扰动波对轴流压气机气动稳定性影响

利用旋转扰动波发生器在一台低速二级轴流压气机上开展实验,研究其旋转频率、扰动扇区角度以及产生的低压区个数对压气机气动稳定性的影响,发现不同的扰动扇区角度和低压区个数下对压气机稳定裕度影响最大的“危险频率”不变.基于M-G模型发展出考虑旋转扰动波影响的二维不可压缩模型,该模型可计算不同扰动扇区角度及低压区个数的旋转扰动波对压缩系统稳定性及动态失速特性的影响,对实验压气机进行建模分析,发现旋转扰动波会诱发模态波的产生,且频率越接近旋转失速团的传播频率对压缩系统稳定裕度的影响越大.      

涡流发生器对轴流压气机叶顶流动不稳定性影响的实验研究

为了探究涡流发生器对轴流压气机叶顶流动不稳定性的影响,在一台低速轴流压气机转子上开展了实验研究。将梯形和半球形两种涡流发生器分别安装在转子叶顶上游机匣上,基于不同的安装角度共制定了五种控制方案。分析了气动性能的变化,并采用频谱分析和统计分析方法考察了壁面脉动压力特性的变化。实验结果表明：采用梯形涡流发生器后,除安装角为90°的方案外,其它方案在各工况下扩压能力均略有下降,失速时的流量也明显减小。在流场存在旋转不稳定性或失速的工况,-45°方案时涡流发生器增加了来流的正预旋,增加了气流动量,同时产生的诱导涡会径向迁移,进而抑制了叶顶区域的旋转不稳定性或旋转失速的强度。     

压气机旋转失速的一个气动声学模型

 根据广义Lighthill方程建立了压气机旋转失速的气动声学模型。提出了一种应用声学方法获取压气机旋转失速特征参数(旋转失速传播速度、数目)的新途径并结合试验结果进行了具体的分析。此外,在简化假设下,用数值法分析了旋转失速特征参数对声音幅值变化的影响。     

轴流压气机近失速及旋转失速全通道数值模拟

为研究轴流压气机失速起始的动态过程,对某两级低速轴流压气机的第1级进行整环全通道模拟.结果表明:在近失速点流场中存在周向大尺度的速度波动,该波动与静子叶排首先出现的周向不均匀分布的叶背附面层分离密切相关,并且随着压气机进一步节流,波动幅值逐渐增大,最终诱发转子若干通道出现严重附面层分离,堵塞流道,压气机进入旋转失速.失速团完全发展后的转动频率与试验结果吻合较好.      

低速轴流压气机进口总压畸变与旋转失速关联的实验研究

在低速三级轴流压气机实验台上自行设计了进口总压畸变发生装置, 构造了稳态和动态测量方案, 并对实验数据进行了详尽分析.着重研究了进口总压畸变对压气机特性及失速过程的影响.结果表明, 压气机失速点不仅与畸变强度有关, 而且与畸变方位也相互关联;适当进口总压畸变会诱发压气机在失速前产生大尺度扰动, 但没有对失速频率构成影响.