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符号表1

第1章 绪论3

1.1 高速叶轮机设计工作中面临的内部流动稳定性问题3

1.1.1 航空发动机智能化对多级压缩系统流动稳定性的要求4

1.1.2 高速叶轮机流动稳定性带来的问题5

1.2 国内外现状分析及研究进展8

1.2.1 高速叶轮机流动失稳现象观察与机理认识8

1.2.2 高速叶轮机流动稳定性失速起始理论预测方法12

1.2.3 高速叶轮机流动稳定性扩稳设计方法15

1.3 高速叶轮机流动稳定性研究27

参考文献29

第2章 压气机流动稳定性经典模型36

2.1 二维小扰动稳定性模型38

2.1.1 Emmons模型38

2.1.2 Stenning模型42

2.1.3 Stenning模型与Emmons模型的异同49

2.2 Greitzer模型50

2.3 压缩系统动态特性分析模型——DYNTECC56

2.4 小结58

参考文献59

第3章 叶轮机流动稳定性三维解析预测模型62

3.1 叶轮机流动稳定性三维解析预测模型的建立62

3.1.1 跨声速稳定性模型概述63

3.1.2 扰动控制方程和求解方法67

3.1.3 跨声速模型匹配条件的推导和特征方程的导出78

3.1.4 小结95

3.2 环绕积分方法求解稳定性方程特征值问题95

3.2.1 传统迭代方法96

3.2.2 环绕积分法97

3.2.3 环绕积分方法数值验证分析100

3.2.4 软壁面边界条件的稳定性模型的数值解法106

3.3 三维旋转失速稳定性理论模型算例分析108

3.3.1 亚声速压气机失速起始点理论预测108

3.3.2 高亚声速压气机失速起始点理论预测113

3.3.3 跨声速压气机失速起始点理论预测115

3.3.4 多级压气机失速起始点理论预测118

3.4 小结128

参考文献128

第4章 叶轮机流动稳定性通用理论131

4.1 理论架构131

4.1.1 基本思想131

4.1.2 理论建立133

4.2 简化模型135

4.2.1 简化方式概述135

4.2.2 子午面模型136

4.2.3 流线模型139

4.2.4 径向展开模型140

4.3 叶片力建模141

4.3.1 叶片力建模概述141

4.3.2 叶片力模型143

4.4 边界条件和匹配条件144

4.4.1 边界条件144

4.4.2 匹配条件145

4.5 求解方法145

4.5.1 谱方法数值离散145

4.5.2 奇异值分解法147

4.5.3 数值解法的校核149

4.6 小结150

参考文献151

第5章 叶轮机流动稳定性通用理论在轴流压气机中的应用153

5.1 轴流压气机失稳点预测153

5.1.1 亚声速压气机153

5.1.2 高亚声速压气机159

5.1.3 跨声速压气机163

5.2 压缩性对失稳点预测的影响165

5.2.1 压缩性概述165

5.2.2 高亚声速流动稳定性结果对比166

5.2.3 跨声速流动稳定性结果对比166

5.3 叶尖间隙对稳定裕度的影响168

5.3.1 叶尖间隙简述168

5.3.2 参数化研究168

5.4 叶片造型对稳定裕度的影响170

5.4.1 弯掠设计概述170

5.4.2 参数化研究171

5.5 基于失速先兆波特征频率的失速演化数值模拟177

5.5.1 基于失速先兆波特征频率的失速演化数值模拟方法177

5.5.2 结果分析与讨论179

5.6 小结183

参考文献183

第6章 叶轮机流动稳定性通用理论在离心压气机中的应用185

6.1 NASA低速离心压气机简介186

6.2 定常CFD计算186

6.3 100％设计转速187

6.3.1 子午面模型结果187

6.3.2 径向展开模型结果189

6.4 75％设计转速190

6.4.1 子午面模型结果190

6.4.2 径向展开模型结果191

6.5 小结192

参考文献194

第7章 SPS机匣处理扩稳理论设计方法196

7.1 包含机匣处理的压气机流动稳定性模型196

7.1.1 SPS机匣处理概念的提出197

7.1.2 包含SPS机匣处理的壁面边界模型200

7.1.3 带有机匣处理的稳定性模型211

7.1.4 结果及讨论213

7.2 SPS机匣处理扩稳效果定量评估方法218

7.2.1 SPS机匣处理扩稳效果定量评估方法的建立218

7.2.2 亚声速压气机流动稳定性扩稳效果定量评估算例222

7.2.3 跨声速压气机流动稳定性扩稳效果定量评估算例227

7.2.4 理论预测结果的分析与讨论232

7.3 小结233

参考文献234

第8章 均匀来流条件下SPS机匣处理扩稳特征236

8.1 SPS机匣处理在亚声速压气机上的扩稳特征及效果236

8.1.1 亚声速压气机236

8.1.2 SPS机匣处理结构设计244

8.1.3 SPS机匣处理在亚声速压气机中的扩稳特征246

8.1.4 SPS机匣处理对亚声速压气机效率的影响258

8.2 SPS机匣处理在跨声速风扇/压气机中的扩稳特征及效果264

8.2.1 实验装置265

8.2.2 参数定义266

8.2.3 SPS机匣处理的跨声速压气机扩稳特征及效果268

8.3 小结275

参考文献275

第9章 进气畸变条件下SPS机匣处理扩稳特征277

9.1 进气畸变和SPS机匣处理的相互作用机制280

9.2 进气畸变实验方案简介283

9.2.1 进气畸变流场实验模拟以及SPS机匣处理结构设计283

9.2.2 畸变非均匀压力/速度畸变流场数据采集与处理技术284

9.2.3 指标参数定义285

9.3 实验结果及讨论286

9.3.1 实壁机匣工作特性286

9.3.2 进气畸变条件下压气机进口流场特性287

9.3.3 进气畸变条件下SPS机匣处理扩稳实验299

9.4 小结323

参考文献324

第10章 SPS机匣处理扩稳机理实验研究326

10.1 SPS机匣处理扩稳机理实验分析方法327

10.1.1 测试方案与数据处理327

10.1.2 测试技术及分析手段校验328

10.2 SPS机匣处理扩稳机理的实验观察——亚声速压气机330

10.2.1 失速瞬间过程动态信号对比330

10.2.2 设计流量点动态信号对比332

10.2.3 光壁临界失速点的失速先兆信号考察333

10.2.4 动态信号随流量变化的观察335

10.3 SPS机匣处理扩稳机理实验研究——跨声速压气机338

10.3.1 跨声速压气机失速过程分析——单支压力传感器信号338

10.3.2 近失速点PSD分析对比340

10.3.3 进入失速过程低频扰动信号的演化过程对比分析341

10.4 进气畸变对失速先兆的影响343

10.4.1 旋转畸变对失速先兆演化过程的影响343

10.4.2 周向畸变对动态失速信号的影响345

10.5 进气畸变条件下压气机近失速非定常特性347

10.5.1 旋转畸变对压气机近失速非定常特性的影响347

10.5.2 周向畸变对压气机近失速行为的影响351

10.5.3 径向畸变对压气机近失速行为的影响353

10.5.4 旋流畸变对压气机近失速行为的影响357

10.6 叶片载荷展向分布358

10.7 小结360

参考文献361

第11章 基于涡动力学和升力定理的实时失速预警方法362

11.1 实验观察——压力信号随工作点的变化363

11.2 物理原理——旋转叶片的气动声学特性365

11.2.1 压缩系统管道中的压力波365

11.2.2 动态压力传感器测量的压力信号367

11.2.3 动态压力传感器测量位置368

11.2.4 叶片力与环量370

11.2.5 周期性的量化评价373

11.3 实验研究——Rc与稳定裕度的关系373

11.3.1 试验台介绍373

11.3.2 实验描述375

11.3.3 实验结果分析376

11.3.4 Rc的统计特性376

11.3.5 旋转失速与参数Rc的关系378

11.3.6 实时失速预警方法380

11.3.7 结果讨论380

11.4 实时失速预警在线实施381

11.4.1 实验台介绍381

11.4.2 参数学习382

11.4.3 光壁压气机的实时失速预警383

11.5 结论384

参考文献385

第12章 高速叶轮机流动稳定性自适应控制方法388

12.1 新型机匣处理自适应控制概念及特点391

12.2 SPS机匣处理自适应控制方案设计392

12.2.1 SPS机匣处理结构设计392

12.2.2 SPS机匣处理自适应控制方案399

12.3 SPS机匣处理自适应控制实验演示402

12.3.1 控制规律的“自适应”402

12.3.2 SPS机匣处理自适应控制效果403

12.4 小结405

参考文献406