高负荷压气机串列静子端壁空气喷射流动控制的数值模拟研究

《The Aeronautical Journal》：Numerical investigation of air injection in the endwall region of a highly loaded compressor tandem stator configuration

本文针对高负荷轴流压气机中串列静子端壁区域流动分离严重、效率损失显著的问题，开展了端壁空气喷射控制的数值模拟研究。通过参数化分析喷射倾角α、射流角β、曲率半径Rc等关键几何参数，并结合动量系数Cu和速度比uinj/u∞评估喷射策略，发现最优喷射位置位于后叶片吸力侧前缘附近（ζ=1.2）。研究证实，合理设计的喷射方案可有效抑制角区分离，提升静子扩散能力，使级等熵效率最高提升0.462%，总压比提高0.056%。该研究为高负荷串列静子的流动控制提供了理论依据和设计指导。

　　

在航空发动机和燃气轮机领域，压气机是实现气体压缩的关键部件，其性能直接影响到整个推进系统的效率和稳定性。随着对高推重比和高效能动力系统的需求日益增长，压气机的负荷不断提高，但这也带来了流动分离、效率下降等严峻挑战。串列静子（Tandem Stator）作为一种高负荷叶片设计，通过前、后两个叶片的协同工作，能够在有限空间内实现更高的气流折转和压力提升，然而其复杂的流场结构也容易在端壁区域引发严重的角区分离（Corner Separation），导致显著的效率损失。

传统被动控制方法如非轴对称端壁造型（Non-Axisymmetric Endwall Contouring）虽有一定效果，但在极端工况下改善有限。主动流动控制（Active Flow Control, AFC）技术，特别是端壁空气喷射（Endwall Air Injection），因其能主动向分离区注入能量、抑制分离，展现出巨大潜力。但目前针对串列静子构型，尤其是其端壁区域的喷射控制研究尚不充分，缺乏系统的参数影响规律和优化设计准则。

为解决上述问题，研究人员在《The Aeronautical Journal》上发表了题为“Numerical investigation of air injection in the endwall region of a highly loaded compressor tandem stator configuration”的论文，采用数值模拟方法，系统研究了端壁空气喷射对一台低速轴流压气机串列静子性能的影响。研究旨在揭示关键喷射参数（如几何形状、位置、动量系数）的作用机制，确定最优喷射策略，从而为高负荷串列静子的高效稳定设计提供理论支持。

研究采用了计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法进行数值模拟。主要关键技术包括：1. 基于ANSYS CFX求解器进行三维粘性流动模拟，选用剪切应力传输（Shear Stress Transport, SST）湍流模型及其再附着修正（Reattachment Modification, RM）和γ-Re_θ转捩模型进行对比验证；2. 应用多块结构化网格对包含串列静子、转子和轮毂空腔的完整1.5级压气机流道进行离散，并在喷射槽口附近进行局部加密；3. 通过参数化研究系统分析喷射倾角α、射流角β、曲率半径R_c、周向宽度w_c、相对质量流量?_inj/?_stall以及轴向位置ζ等变量的影响；4. 引入动量系数C_u和射流/主流速度比u_inj/u_∞作为关键评价指标；5. 采用“等进口质量流量”和“等出口质量流量”两种边界条件处理方法评估喷射对级性能（等熵效率η_tt、总压比Π_tt）的影响，并计算包含喷射损失的总压损失系数ω_t。

串列静子角区分离与性能瓶颈

对无喷射的光滑机匣（Smooth Casing, SC）案例的分析揭示了串列静子端壁区域的流动问题。

图6显示，近机匣处（H > 0.8）总压损失系数ω显著增加，对应着效率η_tt的下降，表明存在严重的气动损失。静压升系数C_p在80%叶高以上急剧上升，表明动压向静压的快速转换。后缘轴向速度ū_z在H=0.7处开始明显减速，而前缘减速始于H=0.85，暗示了在逆压梯度下边界层增厚乃至流动分离。

图7进一步展示了叶片表面的流动行为。在90%叶高（H=0.9）处，后叶片（Rear Vane, RV）的等熵马赫数M_ais分布在弦长s≈0.7处出现平坦化，表明扩散能力受限。极限流线和表面摩擦系数C_f云图证实了近机匣角区存在分离，这与C_f的局部低值区相符。前叶片（Front Vane, FV）的载荷高于后叶片，整体扩散因子（Diffusion Factor, DF）为0.52（FV为0.44，RV为0.27）。这些发现表明，通过流动控制手段改善角区流动具有巨大潜力。

端壁喷射参数的系统影响

研究首先建立了基准喷射案例（喷射位置ζ=1.4，即后叶片吸力侧40%弦长处），并系统改变了各项参数。

较小的喷射倾角α（如图9所示，α=2.5°时效率提升最大，Δη_tt=0.463%）能更切向地引入气流，减少对主流的干扰。最终选取α=5°作为增强构型的平衡点。

射流角β的影响如图10所示。在基准位置，β在0°-20°范围内效果较好，峰值出现在β=5°（Δη_tt=0.385%）。极端角度（如β=45°）或负角度效果不佳。

较大的曲率半径R_c（图12，R_c=12.5 mm时Δη_tt=0.455%）有利于维持科安达效应（Coanda Effect），促进射流加速。

周向宽度w_c和相对喷射质量流量?_inj/?_stall的影响是相互关联的。研究引入了动量系数C_u = (?_inj u_inj w_c sinβ) / (ρ u_∞2 c_eq) 作为关键评价参数，其中u_∞为叶中进口轴向速度（约60 m/s），c_eq为串列静子当量弦长。

图13表明，在固定?_inj/?_stall时，较小的w_c（即更高的射流速度）效果更好；在固定w_c时，较高的?_inj/?_stall能提升性能。

图14进一步揭示了C_u和u_inj/u_∞与气动性能的关系。当u_inj/u_∞接近2时，性能提升与C_u正相关；而当u_inj/u_∞接近1时，增大C_u（即增大w_c）益处不大。

基于以上分析，确定了增强构型（Enhanced Configuration）参数：α=5°, β=5°, R_c=12.5 mm, w_c=10 mm, ?_inj/?_stall=0.75%, C_u≈0.05, u_inj/u_∞≈2.1。该构型在设计点实现了Δη_tt=0.43%, ΔΠ_tt=0.047%的性能提升。

喷射位置的优化选择

研究系统考察了喷射轴向位置ζ的影响，范围覆盖前叶片压力侧到后叶片吸力侧。

图18结果显示，性能提升最显著的区域位于前、后叶片之间的过渡区，特别是后叶片吸力侧（ζ=1.0至1.4）。峰值效率提升（Δη_tt=0.462%）出现在ζ=1.2（后叶片20%弦长）处。最优射流角β随位置变化：前叶片压力侧（ζ=0.1, 0.5）需要负β角（-15°至-5°）将气流导向后叶片前缘；而后叶片吸力侧位置则需要正β角（5°至20°）将动量直接注入分离区。距离分离区越远，所需β角绝对值越大。

图19对比了ζ=0.5和ζ=1.2两个位置的效果。在ζ=0.5处，射流在到达关键区域前已大量扩散；而在ζ=1.2处，位于分离起始点上游，能更有效地消除边界层。

喷射对静子载荷与流动结构的改善

增强构型的喷射显著改变了串列静子的气动性能。

图15的展向分布显示，喷射的影响从H>0.6开始显现，近机匣区域的级效率和总压比显著提升。

图16的熵云图和95%叶高轴向速度表明，增强构型有效抑制了角区分离，高熵区和低动量区显著减小。

图22表明，喷射（以ζ=1.2为例）增强了后叶片的载荷，其独立的扩散因子从0.27增至0.29。静子气流折转角Δθ和出口气流角θ_out在H>0.6均有所增加，表明后叶片加载能力得到释放，有助于改善后续级的进气攻角。

非设计工况与湍流模型鲁棒性

研究还考察了喷射在不同工况下的效果。

图23和25的速度线（Speedlines）表明，喷射在整个工况范围内均能提升性能，且在远离喘振的工况（?/?_DP≈1.10）下效益最大（Δη_tt可达约0.78%），因为此时负攻角加剧了角区分离，喷射的改善作用更明显。喷射并未扩展喘振边界，该边界主要由转子叶尖流动决定。

湍流模型敏感性分析（比较SST、SST+RM和SST γ-Re_θ）表明，尽管不同模型预测的绝对效率增益值有差异（SST预测增益最大），但喷射抑制吸力侧分离、提升性能的趋势在所有模型中均一致存在，证明了研究结论的鲁棒性。

图24对比了SST和SST+RM模型下光滑机匣与增强构型的流动细节。虽然SST预测的分离泡更大，但两种模型下，喷射都一致地提高了表面摩擦系数C_f，使极限流线保持附着，稳定了角区流动。

喷射损失的综合评估

研究最后通过总压损失系数ω_t = [?_in(P_t,in-P_t,out) + ?_inj(P_t,inj-P_t,out)] / [0.5 ρ u_{∞2 Aref (?in+?inj)] 来综合评估包含喷射流在内的总损失。}

图26显示，喷射本身在机匣壁面会产生额外的熵增。对于高动量系数（C_u=0.05）案例，ω_t略高于光滑机匣。而采用较低的动量系数（C_u=0.01，通过减小w_c和?_inj/?_stall实现）策略，计算得到的ω_t为0.04396，与不考虑喷射效应的损失系数（0.04350）相差无几，且仍比光滑机匣案例（ω≈0.0462）低5.1%，同时效率仍有0.28%的提升。这表明通过优化喷射参数，可以在引入较小附加损失的前提下获得净气动收益。

研究结论与意义

本研究通过系统的数值模拟，证实了端壁空气喷射是改善高负荷串列静子角区分离、提升压气机性能的有效手段。研究得出以下主要结论：

1. 1.
   最优喷射位置位于后叶片吸力侧前缘附近（ζ=1.0-1.4），此处注入动量能最直接、有效地作用于分离起始区。
2. 2.
   喷射几何参数存在最优组合：小倾角（α≈5°）、适中正射流角（β≈5°-20°，指向分离区）、大曲率半径（R_c宜大）有利于射流附着、加速并与主流平滑混合。
3. 3.
   动量系数C_u和速度比u_inj/u_∞是衡量喷射效果的关键无量纲参数。较高的u_inj/u_∞（>1.5）配合适中的C_u能获得显著性能提升。
4. 4.
   合理的喷射能有效抑制角区分离，解锁后叶片的扩散潜力，提高静子气流折转能力和出口气流角，从而提升级等熵效率和总压比。
5. 5.
   喷射效益在非设计工况下依然存在，且在负攻角较大的工况下（如脱流工况）改善效果更显著。
6. 6.
   研究结论对不同湍流模型具有鲁棒性，证实了喷射控制物理机制的普适性。
7. 7.
   通过优化喷射参数（如采用较低的C_u），可以控制喷射自身带来的附加损失，实现净性能收益。

该研究为高负荷串列静子的主动流动控制提供了深入的理论见解和实用的设计准则，对发展高性能、紧凑型压气机技术具有重要意义。未来工作可结合优化算法和实验验证，进一步精化喷射器设计，并探索与系统级（如级间引气）结合的工程应用方案。