跨声速压气机叶栅流动状态的试验和数值研究

摘要

针对跨声速压气机叶栅风洞试验过程中存在的唯一冲角问题，通过开展不同来流马赫数以及不同背压条件下的平面叶栅风洞试验测量和数值模拟研究，阐明了高亚声和超声来流条件下跨声速压气机叶栅栅前流场唯一性不同的形成机制，分析了静压比对叶栅流动状态和激波结构的影响机制。研究结果表明：跨声速叶栅在低背压条件下叶栅内激波结构为双激波模式，表现为前缘脱体激波和通道正激波，随着背压的增加，通道激波位置逐渐前移并最终与脱体激波合并，形成单激波模式。超声速来流条件下，栅前流场参数受激波-膨胀波波系的影响呈现出波浪分布，其测量位置至少应距离叶栅前额线50%弦长。理论分析结果表明：跨声速叶栅的唯一冲角现象可扩展到高亚声速状态，但其物理机制有所不同，超声速状态下进口气流角取决于来流马赫数和叶栅入口几何形状，而亚声速状态下进口气流角取决于来流马赫数和叶栅喉部面积。随着静压比的提高，跨声速叶栅运行状态经历堵塞状态-溢出状态-设计状态的转变，在来流马赫数为1.10时总压损失系数由0.175递减为0.082,降幅超过50%。叶栅变背压试验结果表明，静压比超过1.379时流场三维效应增强，影响到叶栅流动的周期性，并且栅后节流板会干扰到尾迹参数的测量。该研究结果有助于理解跨声速叶栅运行状态、激波结构以及栅前流场唯一性机制，同时可对跨声速叶栅试验起到指导作用。

关键词

压气机叶栅 / 激波 / 唯一冲角 / 静压比

基金资助

国家科技重大专项资助项目（2017-Ⅱ-0007-0021）