中文摘要：

相似准则是流场相似的重要依据，其中Strouhal数是唯一表征非定常流场相似的参数。目前的叶轮机气动设计体系是基于定常流动基本假设建立的，通用特性曲线图表征了定常流场的Mach数相似，反映了流场的空间结构品质，尚无法反映叶轮机内真实流场非定常时空结构的相似与否。申请人所在课题组近些年的研究工作集中于如何改进非定常流场时空结构的品质，并已在跨声速压气机实验台上作出了明显正效果。如若能把实验台上获得的收益应用到型号中，就必须解决保证非定常流场时空结构相似的相关条件，这不是现有设计体系所能做到的，因而就面临着从定常流场空间结构相似向非定常流场时空结构相似的转换，为此提出关于非定常流场时空结构相似的Strouhal数疑题。本申请希望通过研究，在非定常流场时空结构相似和叶轮机通用特性中补充反映Strouhal数影响的新的相似条件，为工程推广提供理论支撑。

结论摘要：

本项目针对叶轮机非定常流场时空结构相似的Strouhal数开展研究。针对压气机模型，采用圆弧斜槽形式的处理机匣实现了Strouhal数作为边界条件的给定方法，通过处理槽的数目和搭接量实现对压气机施加一定频率和幅值的激励，基于非定常流动建立了处理槽数目与非定常涡脱落频率及压气机转速的函数关系，获得了圆弧斜槽处理机匣的理论设计方法。对于低速轴流压气机，在无量纲槽数为4.2的St数边界条件下，研究了圆弧斜槽处理机匣对压气机特性及非定常流场的时空结构的影响，发现处理机匣抑制了压气机近失速状态下2阶扰动的发展，并通过对叶尖低速流体的抽吸，改善了叶尖的流通能力，在小流量况下延缓了叶根失速团的径向发展，从而拓宽了失速裕度。基于压气机非定常流场相似的St数边界条件，亚声速状态下的圆弧斜槽处理机匣的设计方法也可用于跨声速压气机的可压流场。对于跨声速压气机，在无量纲槽数为4，5.2，6.4，7.5的St数边界条件下，处理槽数目不同产生的激励频率不同，对扩稳效果有显著影响，而对压比和效率的影响较小；在亚声速流场中，处理槽数对圆弧斜槽处理机匣的扩稳能力影响较小，但对压气机峰值效率的影响较大。对于St数边界条件，圆弧斜槽处理机匣的扩稳机理体现在通过处理槽尾缘的抽吸作用减小转子叶尖堵塞，从而提高压气机叶尖处的流通能力；在小流量工况下，这一效应将导致叶根处的攻角增大，发生叶根失速，但由于叶尖处的流通能力得到改善，延缓了叶根失速团的径向发展，压气机在叶根失速的情况下仍能稳定工作。因此，圆弧斜槽处理机匣不仅对转子叶尖失速的压气机具有扩稳效果，对静子叶根失速的压气机同样具有扩稳效果。实验结果表明，在同样的处理面积下，适当的St数边界可以提高轴流压气机的峰值效率，改善非定常流场结构的品质。