航空发动机和燃气轮机性能的不断提升要求压气机在保持较高压比和效率的同时具有较宽的稳定工作裕度，但是压气机内部流动强逆压梯度、强非定常性的特征，稳定性问题十分突出。为拓宽稳定裕度、推迟不稳定现象的发生，多种主被动控制技术相继被提出。机匣处理作为一种典型的被动控制手段，由于其结构简单、成本低廉、抗畸变能力强等优点，已经成为叶轮机械领域应用最为广泛的扩稳技术。
本文针对跨音压气机开展了详细的非定常实验测量，获得了不同转速光壁机匣和机匣处理边界下的高精度流场，其中机匣处理的三维构型基于叶顶轴向动量特征量优化设计而来，能够在峰值效率略有提升的情况获得超过10%的稳定裕度拓宽量。实验结果表明：节流过程中通道激波逐渐向上游移动并最终形成脱体激波，同时叶顶泄漏涡的涡核轨迹也逐渐向前缘移动并最终溢出诱发失稳。在施加机匣处理后，受抽吸和喷射作用的影响，激波和泄漏涡向下游重新分布，推迟失速的发生。功率谱密度的分析结果表明，机匣处理有效抑制了特征频率带的波动，从而降低了通道内非定常扰动强度。
图1 节流过程中壁面静压和RMS云图分布
图2 光壁机匣和机匣处理边界下云图对比：(a) 壁面静压和 (b) RMS
图3 功率谱密度云图对比：(a) 光壁机匣和 (b) 机匣处理
团队介绍
中国科学院工程热物理研究所杜娟研究员团队面向国家重大科技基础设施建设和动力、能源装备型号发展需求，围绕压气机/风扇内部流动稳定性难题，开展了系统性基础研究，包含高精度非定常流场测试，发动机性能预测、失稳感知以及自适应流动控制，揭示了不同来流边界下压气机内部流动失稳机理，提出了压气机低熵产稳定裕度拓宽方法，并建立了压气机变工控自适应调控系统；围绕试验装置和燃气轮机涡轮发动机等装备型号的设计、试验、加工制造、运行维护等全生命周期过程，开展了基于数字孪生的发动机设计、发动机性能与流场数字化试验、基于数字孪生的发动机健康管理与智能运维等基础理论、关键技术与工程应用研究。主要研究方向包括：1）高精度仿真及测试；2）数字孪生发动机；3）智能发动机。
杜娟，中国科学院工程热物理研究所研究员、数字孪生研究中心主任、中国科学院大学岗位教授、国家杰青项目、国家优青项目获得者。现任中国工程热物理学会热机气动热力学分委会委员，International Symposium on Experimental and Computational Aerothermodynamics of Internal Flows国际委员会委员，Journal of Thermal Science编委，International Journal of Aerospace Engineering编委，Chinese Journal of Aeronautics、Advances in Aerodynamics、航空学报、空气动力学学报与实验流体力学期刊青年编委。
长期围绕航空发动机压气机内部流动稳定性与自适应调控开展应用基础研究工作，发现了叶顶泄漏涡自激非定常性现象及其诱发失稳的核心机理，提出了基于叶顶泄漏涡自激非定常性辨识的失稳预警原理，发展了基于轴向动量增强扩稳机制的机匣与叶片气动匹配扩稳设计方法，构建了基于气动型面可控叶片的自适应压气机及其流动控制系统，在失稳预警提前时间与扩稳控制效果等方面取得了系列进展。在国家自然科学基金委重大仪器研制项目资助下自主研制了压气机失稳预报与控制仪器，并在中国航发贵阳所、涡轮院、动研所和中国航天31所等发动机研制单位推广应用。
主持国家自然科学基金优青、国家“航空发动机及燃气轮机”重大专项基础研究、军委科技委国防创新基金等多个科研项目。研究工作在ASME系列等本领域专业期刊上发表50余篇SCI文章，译著1本，授权国家/美国发明专利15/3项。获得军事技术发明奖二等奖、中国工程热物理学会自然科学奖一等奖、中国科学院青年科学家、中国航空学会青年科技奖、吴仲华优秀青年学者、AFMC青年工程师、洪堡学者、中央与国家机关青年学习标兵等奖励。
文章信息
Unsteady measurement in a transonic axial compressor with optimized axial slot casing treatment
Zhong-gang Fan(范忠岗)，Xiao-bin Xu(徐晓斌)，Yang Liu(刘洋), Dun Ba(巴顿)，Min Zhang(张敏)，Juan Du(杜娟)
Physics of Fluids 36, 087158 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0221808
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期刊介绍
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