[科普中国]-气动稳定性模型

气动稳定性

航空发动机的气动稳定性是指气体动力学出发，不考虑发动机结构强度等因素，发动机的工作状态相对于干扰的保持能力。若在干扰作用下，发动机没有发生旋转失速或喘振等气动失稳现象，且当干扰消失后，发动机能够逐渐恢复至原有状态，则称发动机在该状态下是气动稳定的;若在干扰作用下，发动机产生了气动失稳现象，且当扰动消失后，发动机不能恢复至原有状态，则称发动机在该状态下是气动不稳定的。

现有的理论和试验研究结果以及发动机使用过程中发生的事故均表明，当发动机进入旋转失速或喘振等不稳定工作状态时，会造成以下危害：

（1）降低发动机的性能指标(如推力的减小和耗油率的升高)；

（2）引起压缩部件的转子叶片产生强迫振动，增大振动应力；

（3）增大涡轮的热负荷和热应力；

（4）缩小燃烧室的稳定工作范围；

（5）破坏发动机结构的完整性，严重威胁飞行安全。

因此，在飞机飞行过程中，绝不允许发动机在不稳定状态下工作，保证发动机的气动稳定性已成为保障飞行安全的硬性要求。而在航空发动机的发展早期，研究人员主要重视其性能指标的好坏，片面追求高推力与低耗油率，而对保证发动机的气动稳定性却未给予足够的重视，没有开展针对性的研究。随着航空技术的发展，飞机的飞行速度和高度在不断增加，对飞机的机动性需求也越来越高，再加上导弹武器的使用等，发动机在使用过程中暴露出来的气动失稳现象越来越多，对发动机造成的危害也越来越严重。1

进气畸变对气动稳定性影响模型作为影响发动机气动稳定性的主要因素之一，进气畸变始终受到发动机设计者和研究人员的重点关注。进气畸变的试验装置复杂，需要分析的状态多，且在试验过程中会有引起发动机结构破坏的风险，因此包括地面或高空台试验设施不能进行的畸变试验，都需要利用数值计算方法分析解其影响。

随着计算技术的发展，三维的激盘/半激盘模型、三维彻体力模型已成为重要的研究方向，但尚只能应用于风扇/压气机部件的研究中。基于平行压气机模型，通过对压气机级失稳的判别来研究进气畸变对发动机整机气动稳定性的影响，仍是目前研究的主要方向。

严伟等为了预估变循环发动机气动稳定性对周向进气畸变的响应，建立了进气畸变对变循环发动机气动稳定性影响分析模型。采用带源项的二维非定常欧拉方程描述变循环发动机内部的流动，根据部件特性计算源项，采用时间推进法求解方程组。利用该模型分析了周向进气畸变沿某变循环发动机流路的传递和该发动机的临界畸变指数，计算结果表明：该模型实现了对进气畸变影响变循环发动机气动稳定性的仿真；进气畸变经过核心机驱动风扇级后有显著的衰减；核心机驱动风扇级对进气畸变非常敏感，易发生失稳，是变循环发动机抗畸变的薄弱点。2

压气机二维可压缩气动稳定性分析模型对于目前广泛采用双轴或多轴结构的航空发动机，存在的一个主要问题就是高、低压压气机之间的相互影响,尤其是对各自稳定边界或喘振裕度的影响。在高、低压压气机相互影响中，低压压气机出口非均匀压力波动对高压压气机稳定性的影响是一个非常重要，非常突出的问题。采用实验的方法研究此类问题难度较大，成本也过于昂贵。而数值计算是一种简单、快速、成本低的有效分析手段，发展一种合理的可用于分析旋转进气畸变对压气机气动稳定性影响的模型是当前需要解决的问题。

现有的研究表明，压气机进入旋转失速前流场中会出现两种不同形式的扰动:模态波扰动和尖脉冲扰动.因此要合理地模拟压气机的失速起始过程，分析模型必须具备模拟模态波扰动和尖脉冲扰动的特点。但是原有的Moore-Greitzer模型无法模拟出第二种扰动的失速起始特征。

张环等基于Moore}reitzer理论，建立了可计算进气畸变下动态失速过程的二维不可压缩数学模型。虽然该模型能够很好地反映压缩系统失速流态的基本特征，用于压缩系统失速特性的定量分析，以及进气畸变尤其是旋转进气畸变对压缩系统稳定边界影响的计算分析。但是，在该模型中压气机被模化为单一“激盘”，而且压气机上、下游管道以及压气机内部的流动被假设为不可压缩流动。此外，该模型无法预测出关于总压畸变旋转频率对于压气机稳定边界的影响存在双峰值的结果。对于目前普遍关注的多级高速轴流压气机，必须考虑气流可压缩性和各叶排之间相互干扰的影响。可是，至今有关压气机失速特性可压缩模化工作做的还很少。基于上述原因，王志强发展了一个用于分析多级轴流压气机动态失速特性的多“激盘”可压缩模型。重点分析了多级轴流压气机中二维小尺度旋转失速的起始特性和动一静叶之间的相互影响，以及总压畸变旋转频率对下游压气机稳定性的影响。所得结果表明，本模型可有效地用于此类问题的分析，有关计算和实验结果的比较验证了本模型及其计算结果是可靠的。3