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压气机丨西工大吴艳辉最新顶刊:航空发动机轴流压气机叶尖流动非定常气动问题及其控制策略

2025.10.31
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图片前言

当轴流压气机在高负荷工况下运行时,叶尖区域会因叶尖泄漏流(tip leakage flow)而产生固有的非定常流动现象。这些气动现象统称为 叶尖流动非定常性 (tip flow unsteadiness)。研究已证实,叶尖流动非定常性不仅是 非同步振动 (non-synchronous vibration)和 叶尖噪声 (tip noise)的激励源,也是 短尺度失速起始 (short-length-scale stall inception)的诱因。这些结构性和气动性问题已成为高负荷轴流压气机中的普遍挑战,这要求我们在叶尖流动非定常性研究方面取得突破。
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西北工业大学吴艳辉教授团队首先回顾了以往关于非定常叶尖流动现象的研究自激非定常性(self-excited unsteadiness)和旋转失稳(rotating instability, RI)的视角对其进行了审视。详细讨论了旋转失稳(RI)与叶尖间隙噪声、非同步振动以及失速起始之间的关系。随后,对叶尖流动非定常性的起源进行了解释。对现有文献中提出的六种理论进行了分类阐述,包括:涡脱落(vortex shedding)、叶尖泄漏涡破裂(tip leakage vortex breakdown)、叶尖泄漏流与邻近流相互作用(interaction between tip leakage flow and adjacent flow)、旋转失稳涡(rotating instability vortex)、叶尖二次涡(tip secondary vortex)以及剪切层失稳(shear layer instability)。

目前,针对抑制叶尖流动非定常性的控制技术(control techniques)研究仍然有限。本文根据其控制机理对这些方法进行了分类,并介绍了相应的控制效果。此外,还提出了未来在这些领域取得进展的建议(或:展望)。

研究成果以“Review of unsteady aerodynamic problems and control strategies for the blade tip flow of axial compressors ”为题发表于航空航天领域顶级期刊Progress in Aerospace Sciences。

图片图文速览

自20世纪90年代以来,众多学者与工程师致力于研究轴流压气机叶尖流动非定常性。根据研究目标,该领域主要聚焦两大主题:第一主题是自激叶尖流动非定常性,核心关注叶尖流道内的非定常流动脉动。此类研究通常采用单流道非定常数值模拟,以解析流动脉动的频率与振幅特征;第二主题是旋转失稳(RI),尤其关注叶尖附近非定常流动的周向传播特性。为捕捉此现象,全流道/多流道非定常数值模拟被广泛采用。 关注公众号: 两机动力先行,免费获取海量两机设计资料,聚焦两机知识和关键技术!
图1:RI与RS的频谱特性对比 
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图2:TLV主导的压气机叶尖流场
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图3:低速轴流压气机中转子的时均叶尖流场(Inoue等测量)
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图片文章小结

轴流压气机叶尖流动非定常性研究综述表明,该现象作为高负荷工况下的固有气动问题,本质关联气动失稳、非同步振动及叶尖噪声。其研究体系涵盖两类典型现象:一是近失速点由叶尖泄漏涡(TLV)与主流相互作用引发的自激非定常性,表现为准轴对称振荡流场伴生周期性叶尖泄漏涡破裂(TLVB)及载荷波动;二是多级压气机后级大间隙工况诱发的旋转失稳(RI),特征为周向传播的宽频驼峰频谱。关于起源机制,现有六类竞争性理论形成核心解释框架:涡脱落理论将RI归因于吸力面分离涡;TLV破裂与泄漏流-邻近流作用理论揭示自激非定常性与RI的转换机制;旋转失稳涡及叶尖二次涡(TSV)理论强调特殊涡结构的主导作用;剪切层失稳理论则从端壁区复杂剪切流阐释RI的物理本质。在控制策略层面,被动方法(机匣处理/涡发生器)虽可重构流场但易引入新非定常性且参数依赖经验;主动技术(如叶尖喷射)虽高效却受限于实施复杂度,亟需突破控制参数-叶尖几何耦合机制。未来研究需融合高精度数值模拟(LES/DES/DNS)与多传感器实验技术,量化被动控制几何效应并优化主动控制算法,以建立普适性理论框架支撑智能航空发动机发展。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2024.101063


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