[发明专利]航空轴流压气机复杂进气畸变下动态失速过程预测方法

说明书

本发明公开了航空轴流压气机复杂进气畸变下动态失速过程预测方法，该方法通过分布式力源描述叶片固壁效应，基于损失系数及落后角概念有效构建局部叶片基元流道力源与气流参数的动态关联，具备定量描述多级轴流压气机复杂进气畸变下动态失速演化过程的能力。较传统二维计算方法和高阶三维CFD计算方法，该方法可以在兼顾计算效率的同时，有效反映包含旋流及径向/周向空间组合畸变特征在内的复杂进气畸变扰动下航空轴流压气机气动失稳特征，为先进航空发动机高保真度气动稳定性设计提供技术支撑。

技术领域

本发明属于航空发动机数值仿真技术领域，具体为航空轴流压气机复杂进气畸变下动态失速过程预测方法。

背景技术

压气机是构成燃气涡轮发动机压缩系统的基本部件，其内部粘性气体的逆压力梯度决定了其具有气动失稳的特征，直接影响着发动机的工作可靠性。随着附面层摄入型发动机布局、大曲率S弯进气道等先进技术在现代航空飞行器推进系统上的逐步应用，使得发动机进口流场畸变愈加呈现以旋流及径向/周向空间组合畸变为特征的三维非定常性，其对压气机气动性能及稳定裕度的负面影响需要引起足够重视。发展压气机复杂进气畸变下高效可靠的流动稳定性分析模型是研制高性能、高稳定性压气机的重要技术保障。

稳定性分析模型的一种典型建模思路是在CFD的时间推进技术框架内，聚焦压气机内主要尺度流动特征的模化，对叶片效应进行合理降维刻画，降低计算量，使其在满足目前工程应用需求的同时，还能有效反映压气机流动失稳的整个非线性演化过程的典型特征。基于该思想，研究者先后建立了激盘模型及彻体力模型。激盘模型将叶排处理成间断面，对叶片区内流动过程不做求解。与之相比，彻体力模型的理论构成更为完善，其通过分布式力源刻画叶片固壁边界效应，能够有效模拟叶片通道内的主要流动特征。国内外学者开发了各类彻体力模型用于分析均匀进气下航空轴流压气机气动失稳起始过程，但是彻体力模型在进气畸变尤其是空间分布特征更为多样性的复杂畸变问题的应用潜力仍待深入挖掘。Chima曾基于彻体力模型的概念初步构建了一个用于分析压气机进气畸变下动态失速过程的三维非定常数值模型，但受限于其源项建模方法的局限性仅能模拟单级轴流压气机单纯周向总压畸变进气问题(Chima R V.A Three-Dimensional Unsteady CFD Modelof Compressor Stability[R].ASME Paper,GT2006-90040.)。总体而言，彻体力模型是当前航空叶轮机械内流稳定性问题研究的一个有力技术工具。显然，一个完备的叶片力源构建方法是此类模型可靠性的前提保障，尤其是需要对叶片力源与当地气动/几何参数的全面有效关联进行细致考虑，这是有效量化复杂进气畸变影响的理论基础。

发明内容

本发明的主要目的在于：基于彻体力模型建立用于高效分析多级航空轴流压气机复杂进气畸变下的动态失速过程预测方法，该方法在兼顾计算效率的同时，有效反映包含旋流、径向以及周向空间组合畸变特征在内的复杂进气畸变扰动下航空轴流压气机气动失稳特征，为先进航空发动机高保真度气动稳定性设计提供技术支撑。

本明的航空轴流压气机复杂进气畸变下动态失速过程预测方法，包括如下步骤：

步骤1，提取轴流压气机叶片中弧面几何坐标、叶型几何参数及子午流道数据，构建轴流压气机三维计算域，所述的三维计算域包括轴流压气机的叶片区域和无叶区域，且以叶片前尾缘型线区分叶片区域与无叶区域；所述叶型几何参数包括栅距g、弦长c、弯角ζ、最大厚度a和叶片几何角κ，子午流道数据包括轮毂及轮缘型线几何坐标；

步骤2，以三维彻体力模型为基础，针对叶片区域构建含分布式力源的三维非定常可压缩流动控制方程，所述分布式力源是指瞬时叶片力F，具体包括叶片区域中单位体积气体受到的轴向瞬时叶片力F_z、单位体积气体受到的周向瞬时叶片力F_θ及单位体积气体受到的径向瞬时叶片力F_r；

步骤3，构建准稳态叶片力源；

步骤3.1，构建损失系数及落后角δ与基元流道进口攻角i、马赫数Ma以及叶型几何参数的定量解析关系；