基于高效特征值分析方法的旋转失速先兆预测

旋转失速限制了压气机稳定工作的范围,对其进行深入理解并实现准确预测是控制失速、提高裕度的关键。现有模型大多基于一定程度的几何和流动简化,不考虑三维效应及流动复杂性,直接应用于三维压气机失速预测时仍面临巨大挑战。同时,尽管试验测量和模拟仿真水平不断提高,试验和数值模拟多为唯象研究,缺乏对压气机流动失稳根本原因的揭示。此外,由于三维复杂流动精细化测量和高保真模拟的复杂性,大多数失速研究针对某一压气机若干孤立工况开展,缺乏系统的参数化研究,难以提炼出旋转失速关键影响因素。为弥补试验测试空间分辨率低和非定常流动模拟成本高的缺陷,提出了一种基于三维流动方程高效特征值求解的全局稳定性分析方法。一方面可以获得试验测量难以达到的空间分辨率,另一方面能够以比非定常模拟小2～3个量级的成本获得丰富的三维流场小扰动发展过程。针对某典型跨声速压气机环形叶栅,所发展的分析方法计算成本仅为定常特性线计算的28%,相比于非定常计算实现了约155倍的加速,为压气机旋转失速准确快速预测和机理研究提供了重要的研究工具。     

航空压气机流动稳定性预测研究进展

在航空压气机设计阶段,对其稳定裕度进行快速、准确评估,防患于未然,具有迫切需求和重要意义。首先评述了现有的压气机流动稳定性理论预测方法,并重点就近期发展起来的叶轮机流动稳定性通用理论做了系统的介绍。随后,汇总了叶轮机流动稳定性通用理论在亚声速、跨声速轴流压气机以及亚声速离心压气机等不同机型上的应用,从现有算例来看,该理论有能力对不同类型的压气机失速起始点做出准确的预测。进一步,综述了基于叶轮机流动稳定性通用理论所开展的针对压缩性、叶尖间隙以及三维叶片造型等因素的参数化研究工作。研究结果表明,该理论在定性层面上能够捕捉到这些因素的影响,然而,这些预测结果定量上尚未得到实验的验证,需要进一步开展相应的实验研究。目前,叶轮机流动稳定性通用理论只在单级或单转子压气机上得到应用,对于多级压气机,还需要在定常流场的计算方法、大规模矩阵特征值求解等方面开展更加深入的研究。