[科普中国]-壁面压力

压力

物理学上的压力，是指发生在两个物体的接触表面的作用力，或者是气体对于固体和液体表面的垂直作用力，或者是液体对于固体表面的垂直作用力。习惯上，在力学和多数工程学科中，“压力”一词与物理学中的压强同义。

固体表面的压力通常是弹性形变的结果，一般属于接触力。液体和气体表面的压力通常是重力和分子运动的结果。

压力的作用方向通常垂直于物体的接触面。如果观测到压力的作用方向与接触面并不垂直，通常是由于压力和摩擦力共同作用的结果。

压力/马赫数的弯曲压缩面超燃冲压发动机进气道历来都受到世界各国研究者的高度重视，并发展形成二维进气道、轴对称进气道团、带顶压的三维侧压式进气道和三维内收缩进气道4大类。它们的进气压缩方式各有特点，气动外形差别很大，但是上述4类进气道的共同点就是利用各种压缩面产生的激波或者压缩波系来压缩气流。二维、轴对称和三维侧压式3类传统的高超声速进气道主要采用激波压缩的方式，其中轴对称进气道由于采用锥激波压缩因而带有少部分的等熵压缩。进气道采用激波压缩会产生比较大的激波损失，尤其在较高来流马赫数工作时，激波损失将急剧增加。

为了提高进气道的压缩效率，设计时常引入等嫡压缩。德国空气动力学家husemann提出的内锥型流场—由等嫡压缩波和结尾锥形激波所组成，它采用等嫡压缩波和激波共同压缩气流，对气流造成的损失减小，具有较高的压缩效率。有文献对以等熵压缩为主、激波压缩为辅的弯曲压缩面开展了相关研究工作，弯曲压缩面是在给定壁而压升规律或者减速规律的情况下反设计得到的。给定壁面压升规律时，壁面前部的压升作用较强，能够形成明显的弯曲激波，但是其强度沿流向分布的不均匀性较大，特别是弯曲激波末端会造成很大的流动损失;而给定壁面马赫数线性减速规律时，壁面气流马赫数呈匀速下降，利用整个压缩面对气流进行减速增压作用，同给定壁面压升规律设计时相比，弯曲激波的弯曲程度有所减弱。

为了获得一种能够充分利用整个压缩面对气流进行减速增压作用，并且能够集壁面采用压升规律可控和减速规律可控时各自优点于一身的弯曲压缩面，张林等针对壁面压升规律可控和壁面减速规律可控的弯曲压缩面，开展了以几何方式将上述两种压缩面组合在一起而设计出壁面采用压力/马赫数复合分布规律的弯曲压缩面，通过数值模拟手段对其进行了研究。1

基于壁面压力分布的进气道反设计高超声速进气道作为超燃冲压发动机的关键部件之一，长期以来得到广泛研究。其中二元进气道压缩面设计基本思想仍未脱离传统的多楔等强度激波压缩或等嫡压缩，存在着长度长、容易诱发附面层分离、低马赫数溢流量大等问题。高超声速弯曲激波压缩这种新型压缩方式的提出为这些问题提供了一种新的解决思路，己有文献采用指定数学函数、压力分布规律或马赫数分布规律等方法研究了这种压缩方式。

但是以上研究主要是针对进气道外压缩段进行的，而进气道内压段的压缩性能对整个进气系统的性能也有至关重要的影响，并且其中波系更为复杂、容易出现附面层分离等问题，目前二元进气道内压段设计却仍然没有有效的设计原则，多数仍采用几何上的过度，例如通过圆弧或者折线连接外压缩段与隔离段，要得到性能较好的结果往往比较困难。

王磊在以往关于由壁面压力分布反设计弯曲激波压缩面研究的基础上，将这种反设计应用在二元进气道内压段，发展了通过指定压力分布规律来反设计整个二元进气道的方法，从而实现了气动参数可控的进气道内外压缩一体化设计，并且探索了结合优化算法寻找综合性能优秀的进气道的方法。

旋转失速压气机壁面压力旋转失速是一种发生在压气机叶片排附近的沿周向传播的非轴对称气流脉动，在旋转失速发展的早期即失速先兆阶段，周向非均匀流动开始出现并沿压气机周向传播;当完全失速时，失速团充分发展并连续地沿周向旋转，结构几乎不随时间变化。一旦发生旋转失速，压气机压比突然下降，气动性能明显恶化，另外在进入和退出失速区时每个叶片还会承受较大的脉动载荷，引起疲劳断裂等严重后果。

旋转失速的发生一般存在模态波型和尖脉冲型两类不同性质的失速先兆类型，在对旋转失速先兆的抑制和压气机扩稳控制的试验中，人们相继采用了叶顶喷气和机匣处理等措施，并取得了很好的效果，这也说明了压气机叶片顶部流动的极端重要性。McDougall等在对失速成因的研究中，发现转子顶部间隙对旋转失速的生成具有很大的影响，在接近失速时叶尖端壁附面层的厚度呈周期性变化，其幅度不断增大以至失速;Cumpsty也发现转子进口端壁附而层在失速前突然变厚;Furukawa等认为低速压气机在近失速工况下其内部流场的一个主要特征是间隙泄漏涡破裂;Mailach和Maerz等分别对轴流压气机旋转失稳(Rotating Instability)及其与叶顶间隙泄漏涡之间的关联机理进行了研究，指出叶顶间隙泄漏涡是引起压气机内部流动失稳的主要因素，且在某些条件下，旋转失稳是旋转失速的先兆;Hoying等则认为小尺度突尖型先兆是顶部间隙泄漏涡向转子叶片通道上游运动的结果;Vo进一步研究并提出亚声速轴流压气机来流与顶部间隙流之间的交界而和转子前缘而对齐以及来自邻近叶片通道的顶部间隙流在叶片尾缘顶部以下出现反流最终导致失速。由于失速先兆一般都是在叶顶最先探测到，因此顶部区域流动状况，特别是顶部间隙泄漏流动及其导致的间隙泄漏涡在压气机失速的发生发展过程中起到了关键作用。

壁面动态压力谱分析是轴流压气机试验常用的分析工具，由于转子叶尖部位蕴含着丰富的与稳定性特性相关的信息，并且通过在机匣壁而布置动态压力传感器不会对转子叶片通道内部流场造成扰动，而且传感器便于安装和使用，因此该方法得到了广泛的应用。为了进一步加深对轴流压气机失速以及失速后其特性的深刻认识，本文针对单级低速轴流压气机在不同流量条件下典型状态的转子叶尖二维壁面静压做了详细的分析，以期揭示轴流压气机壁面静压分布特征与失速特性之间的关系，用以对未来压气机的设计以及主动、被动控制提供必要的参考和借鉴。

图(a)为失速前一转的壁而压力等压线图，此时高压区主要分布在叶片通道尾缘以及前缘靠近压力而处，而低压区主要集中在叶片通道前缘吸力而处。本文采用壁而压力谱方法，并且在此基础上经过插值对整个空间采用云图显示，如图(b)所示，这样可以更加清楚地显示壁而压力分布特征。图(b)中压力分布与图(a)中规律一致，说明了该方法绘制云图的准确性，只是由于压气机的型号不一样，所以压力分布规律并不完全一致。2