航空發動機壓氣機是如何設計的

吳仲華和其代表性著作《葉輪機械三元流動通用理論》（NASA-TN-2604）

美國NACA早期壓氣機試驗設備以及八級軸流壓氣機試驗

大眾對航空發動機最直觀的認識，可能就是在搭乘民航客機時，機翼下方掛載的民用大涵道比渦輪風扇發動機。大直徑葉片風扇、低壓壓氣機和高壓壓氣機共同組成航空發動機重要部件——壓氣機。

噴氣飛行時代的來臨，壓氣機設計體系初創

渦輪噴氣發動機產生推力的基本原理是：發動機將速度較低的空氣吸入，經壓縮、燃燒、渦輪膨脹做功後，再以較高速度排出，通過空氣在發動機進出口的動量差，形成推力。

渦噴發動機在二戰的炮火中誕生。戰後，世界各國投入大量人力物力，開展渦噴發動機的研製工作。經研究發現，增大壓氣機增壓比，能夠有效提高發動機的熱效率，各國開始逐步重視航空壓氣機設計技術的研究。

早期的壓氣機設計多基於原有的翼型理論以及螺旋槳理論，並逐步發展到孤立葉型理論，壓氣機的設計效率較低。後來，人們逐漸認識到壓氣機內部氣體流動有其獨有特點，發展了二維平面葉柵壓氣機設計體系。

葉輪機械三元流動理論，中國人在壓氣機設計領域的傑出貢獻

隨著壓氣機結構更為緊湊和負荷不斷提高，壓氣機中氣體的實際流動與設計預想之間的偏差愈發增大。中國著名工程熱物理學家吳仲華創立了全新的葉輪機械三元流動理論，開啟了壓氣機設計技術的全新發展篇章。

吳仲華1940年畢業於清華大學機械工程系。通過對葉輪機械內部流動理論進行深入研究，吳仲華獨立發展了基於流面模型的葉輪機械三元流動理論，將葉輪機械內部三維流動分解到兩類相對流面上，從而將三維問題轉化為求解兩個流面上的二維問題。

自葉輪機械三元流動理論公開發表後，各大發動機研究機構開發出相應的壓氣機設計計算程序，建立起壓氣機准三維設計體系，並應用於工程實踐。時至今日，「吳氏通用理論」仍然是壓氣機設計體系中最為重要的核心理論。

數值模擬模擬蓬勃發展，計算流體力學技術推動壓氣機，氣動設計發展

20世紀80年代，航空發動機設計人員逐步認識到，如果要在進一步提升壓氣機壓比的同時保持較高的效率和寬廣的喘振裕度，必須對壓氣機內部流動有更加清晰和準確地認識。

計算流體力學（CFD）是研究計算機數值求解流體力學非線性偏微分方程組的專門學科。早期CFD技術方法的研究多針對外流，然而壓氣機氣體流動屬於內流，模擬難度要高於外流。英國劍橋大學Denton教授開發了一套三維葉輪機械數值模擬程序，全球諸多航空發動機研究機構都曾採用該套程序對壓氣機進行數值模擬計算。

隨著CFD技術發展，設計人員對壓氣機內部三維流動結構的認識愈發清晰，國際上各大研究機構都開展了大量的壓氣機全三維數值模擬工作，CFD技術為壓氣機設計提供了「數值風洞」，為設計人員快速評估設計結果、了解內部流場細節提供技術支撐。

噴氣推進新時代，多學科交叉發展推動壓氣機設計進入新階段

進入21世紀，高效、節能、環保、安靜成為民用航空發動機的關鍵詞，變循環、熱管理、電磁紅外隱身設計等全新設計概念也逐步應用于軍用航空發動機的研發當中。航空發動機需求的全新變化，壓氣機設計也進入了全新階段，比較有代表性的新設計技術如下：

先進優化演算法尋優設計。工程技術人員將遺傳演算法、神經網路演算法、響應面演算法、伴隨優化演算法等大規模多目標多變數優化演算法引入壓氣機設計體系；高自由度葉片參數化幾何造型方法。用參數化幾何描述方法取代傳統解析幾何方法進行壓氣機設計；三維粘性設計方法。採用三維粘性數值模擬方式，使葉型幾何調整與流場數值模擬同步進行；複合材料葉片製造技術。複合材料葉片製造技術已成為當前研究熱點，持續探索製造過程自動化以及材料力學性能提升；多學科綜合數值模擬技術。壓氣機數值模擬領域逐步出現了流、固、聲、熱等多物理場耦合綜合數值模擬分析技術。

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