跨音速軸流壓氣機內部激波-邊界層干涉機理及控制研究

《跨音速軸流壓氣機內部激波-邊界層干涉機理及控制研究》是依託西安交通大學，由宋鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：跨音速軸流壓氣機內部激波-邊界層干涉機理及控制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：宋鵬
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

跨音速軸流壓氣機是航空發動機和重型燃氣輪機的核心部件，其內部以強逆壓梯度下的激波及端壁邊界層分離為主要特徵，且二者干涉嚴重，顯著影響壓氣機氣動性能及氣動穩定性。前人分別使用葉片基元葉型形變或積疊線形變抑制激波和邊界層分離。但二者同時變形因問題複雜性和難度驟增未能實現，限制了流動控制效果。最近本課題組藉助自適應全局並行算法，實現了基元葉型及積疊線最優協同變形，抑制了葉道激波和分離流，顯著提升了壓氣機氣動性能及穩定性，得到了國際同行認可。但目前工作尚未考慮葉片形變對端壁邊界層分離的抑制。本項目將在前期工作基礎上，探明激波-邊界層干涉機理，明晰全三維形變對激波-邊界層干涉的影響，建立二者的相關關係。獲得利用葉片全三維形變有效抑制激波和邊界層分離的方法，實現激波和邊界層分離的最優控制。開展模型級流場和性能實驗研究，驗證並完善數值方法。為國家蓬勃發展的航空發動機和重型燃氣輪機事業提供支撐。

結題摘要

跨音速軸流壓氣機是航空發動機和重型燃氣輪機的核心部件，其內部以強逆壓梯度下的激波及端壁邊界層分離為主要特徵，且二者干涉嚴重，顯著影響壓氣機氣動性能及氣動穩定性。前人分別使用葉片基元葉型形變或積疊線形變抑制激波和邊界層分離。但二者同時變形因問題複雜性和難度驟增未能實現，限制了流動控制效果。本項目以研究跨音速軸流壓氣機複雜內流機理和特性為出發點，發展利用最優三維形變控制激波和邊界層分離流的有效方法，提升跨音速軸流壓氣機的氣動性能和氣動穩定性。通過數值研究探明了激波-邊界層干涉機理，明晰了三維葉片協同形變作用機制，建立了三維葉片幾何形變和激波-邊界層干涉、壓氣機氣動性能及氣動穩定性之間的相關關係；在前期工作基礎上發展了跨音速壓氣機三維葉片多目標最佳化平台，利用葉片全三維形變有效抑制激波和邊界層分離，實現激波和邊界層分離的最優控制，有效提升了壓氣機的效率及壓比；在流動機理研究的基礎上，提取了流動失穩特徵參數，並將自適應最佳化方法與流動失穩特徵化參數相結合，建立了以壓氣機增效擴穩為目標的最佳化方法，顯著改善了壓氣機的氣動性能和穩定工況範圍；建立了基於偏好驅動的葉片最佳化方法，顯著提升了多目標最佳化的效率，該最佳化方法有助於解決複雜多目標氣動設計問題，為有效挖掘跨音壓氣機多目標最佳化潛力提供支撐；通過建立損失與翼型幾何的相關性，發展了一種新型的損失係數計算方法，並提出了一種基於全局最佳化的跨音速軸流壓氣機通流設計方法，可對具有大量設計變數及多重設計目標的複雜設計問題進行高效求解，滿足多級壓氣機高效率寬裕度的設計要求。以上研究成果將為國家大力發展的航空發動機及重型燃氣輪機事業提供支撐，具有重大社會意義和實際套用價值。此外，本項目發展的自適應協同最佳化方法，可為各類葉輪機械內流控制及設計最佳化提供支撐，具有較高的實用性和廣泛套用潛力。