基本介紹
- 中文名：壁面壓力
- 外文名：wall pressure
- 一級學科：航空航天
- 二級學科：空氣動力學
- 類型：飛行術語
- 壓力：兩個物體的接觸表面的作用力
壓力,壓力/馬赫數的彎曲壓縮面,基於壁面壓力分布的進氣道反設計,旋轉失速壓氣機壁面壓力,
壓力
物理學上的壓力，是指發生在兩個物體的接觸表面的作用力，或者是氣體對於固體和液體表面的垂直作用力，或者是液體對於固體表面的垂直作用力。習慣上，在力學和多數工程學科中，“壓力”一詞與物理學中的壓強同義。
壓力的作用方向通常垂直於物體的接觸面。如果觀測到壓力的作用方向與接觸面並不垂直，通常是由於壓力和摩擦力共同作用的結果。
壓力/馬赫數的彎曲壓縮面
超燃衝壓發動機進氣道歷來都受到世界各國研究者的高度重視，並發展形成二維進氣道、軸對稱進氣道團、帶頂壓的三維側壓式進氣道和三維內收縮進氣道4大類。它們的進氣壓縮方式各有特點，氣動外形差別很大，但是上述4類進氣道的共同點就是利用各種壓縮面產生的激波或者壓縮波系來壓縮氣流。二維、軸對稱和三維側壓式3類傳統的高超聲速進氣道主要採用激波壓縮的方式，其中軸對稱進氣道由於採用錐激波壓縮因而帶有少部分的等熵壓縮。進氣道採用激波壓縮會產生比較大的激波損失，尤其在較高來流馬赫數工作時，激波損失將急劇增加。
為了提高進氣道的壓縮效率，設計時常引入等嫡壓縮。德國空氣動力學家husemann提出的內錐型流場—由等嫡壓縮波和結尾錐形激波所組成，它採用等嫡壓縮波和激波共同壓縮氣流，對氣流造成的損失減小，具有較高的壓縮效率。有文獻對以等熵壓縮為主、激波壓縮為輔的彎曲壓縮面開展了相關研究工作，彎曲壓縮面是在給定壁而壓升規律或者減速規律的情況下反設計得到的。給定壁面壓升規律時，壁面前部的壓升作用較強，能夠形成明顯的彎曲激波，但是其強度沿流向分布的不均勻性較大，特別是彎曲激波末端會造成很大的流動損失;而給定壁面馬赫數線性減速規律時，壁面氣流馬赫數呈勻速下降，利用整個壓縮面對氣流進行減速增壓作用，同給定壁面壓升規律設計時相比，彎曲激波的彎曲程度有所減弱。
為了獲得一種能夠充分利用整個壓縮面對氣流進行減速增壓作用，並且能夠集壁面採用壓升規律可控和減速規律可控時各自優點於一身的彎曲壓縮面，張林等針對壁面壓升規律可控和壁面減速規律可控的彎曲壓縮面，開展了以幾何方式將上述兩種壓縮面組合在一起而設計出壁面採用壓力/馬赫數複合分布規律的彎曲壓縮面，通過數值模擬手段對其進行了研究。
基於壁面壓力分布的進氣道反設計
高超聲速進氣道作為超燃衝壓發動機的關鍵部件之一，長期以來得到廣泛研究。其中二元進氣道壓縮面設計基本思想仍未脫離傳統的多楔等強度激波壓縮或等嫡壓縮，存在著長度長、容易誘發附面層分離、低馬赫數溢流量大等問題。高超聲速彎曲激波壓縮這種新型壓縮方式的提出為這些問題提供了一種新的解決思路，己有文獻採用指定數學函式、壓力分布規律或馬赫數分布規律等方法研究了這種壓縮方式。
但是以上研究主要是針對進氣道外壓縮段進行的，而進氣道內壓段的壓縮性能對整個進氣系統的性能也有至關重要的影響，並且其中波系更為複雜、容易出現附面層分離等問題，目前二元進氣道內壓段設計卻仍然沒有有效的設計原則，多數仍採用幾何上的過度，例如通過圓弧或者折線連線外壓縮段與隔離段，要得到性能較好的結果往往比較困難。
王磊在以往關於由壁面壓力分布反設計彎曲激波壓縮面研究的基礎上，將這種反設計套用在二元進氣道內壓段，發展了通過指定壓力分布規律來反設計整個二元進氣道的方法，從而實現了氣動參數可控的進氣道內外壓縮一體化設計，並且探索了結合最佳化算法尋找綜合性能優秀的進氣道的方法。
旋轉失速壓氣機壁面壓力
旋轉失速是一種發生在壓氣機葉片排附近的沿周向傳播的非軸對稱氣流脈動，在旋轉失速發展的早期即失速先兆階段，周向非均勻流動開始出現並沿壓氣機周向傳播;當完全失速時，失速團充分發展並連續地沿周向旋轉，結構幾乎不隨時間變化。一旦發生旋轉失速，壓氣機壓比突然下降，氣動性能明顯惡化，另外在進入和退出失速區時每個葉片還會承受較大的脈動載荷，引起疲勞斷裂等嚴重後果。
旋轉失速的發生一般存在模態波型和尖脈衝型兩類不同性質的失速先兆類型，在對旋轉失速先兆的抑制和壓氣機擴穩控制的試驗中，人們相繼採用了葉頂噴氣和機匣處理等措施，並取得了很好的效果，這也說明了壓氣機葉片頂部流動的極端重要性。McDougall等在對失速成因的研究中，發現轉子頂部間隙對旋轉失速的生成具有很大的影響，在接近失速時葉尖端壁附面層的厚度呈周期性變化，其幅度不斷增大以至失速;Cumpsty也發現轉子進口端壁附而層在失速前突然變厚;Furukawa等認為低速壓氣機在近失速工況下其內部流場的一個主要特徵是間隙泄漏渦破裂;Mailach和Maerz等分別對軸流壓氣機旋轉失穩(Rotating Instability)及其與葉頂間隙泄漏渦之間的關在線上理進行了研究，指出葉頂間隙泄漏渦是引起壓氣機內部流動失穩的主要因素，且在某些條件下，旋轉失穩是旋轉失速的先兆;Hoying等則認為小尺度突尖型先兆是頂部間隙泄漏渦向轉子葉片通道上游運動的結果;Vo進一步研究並提出亞聲速軸流壓氣機來流與頂部間隙流之間的交界而和轉子前緣而對齊以及來自鄰近葉片通道的頂部間隙流在葉片尾緣頂部以下出現反流最終導致失速。由於失速先兆一般都是在葉頂最先探測到，因此頂部區域流動狀況，特別是頂部間隙泄漏流動及其導致的間隙泄漏渦在壓氣機失速的發生髮展過程中起到了關鍵作用。
壁面動態壓力譜分析是軸流壓氣機試驗常用的分析工具，由於轉子葉尖部位蘊含著豐富的與穩定性特性相關的信息，並且通過在機匣壁而布置動態壓力感測器不會對轉子葉片通道內部流場造成擾動，而且感測器便於安裝和使用，因此該方法得到了廣泛的套用。為了進一步加深對軸流壓氣機失速以及失速後其特性的深刻認識，本文針對單級低速軸流壓氣機在不同流量條件下典型狀態的轉子葉尖二維壁面靜壓做了詳細的分析，以期揭示軸流壓氣機壁面靜壓分布特徵與失速特性之間的關係，用以對未來壓氣機的設計以及主動、被動控制提供必要的參考和借鑑。
圖1中(a)為失速前一轉的壁而壓力等壓線圖，此時高壓區主要分布在葉片通道尾緣以及前緣靠近壓力而處，而低壓區主要集中在葉片通道前緣吸力而處。本文採用壁而壓力譜方法，並且在此基礎上經過插值對整個空間採用雲圖顯示，如圖1中(b)所示，這樣可以更加清楚地顯示壁而壓力分布特徵。圖1中(b)中壓力分布與圖1中(a)中規律一致，說明了該方法繪製雲圖的準確性，只是由於壓氣機的型號不一樣，所以壓力分布規律並不完全一致。
圖1 失速前的壁面靜壓分布
