随着压气机设计负荷的提升,端区流动问题成为压气机中的突出问题。其中,由端区二次流诱发的角区分离是压气机端区的主要损失源,分离所致的堵塞易导致压气机通流变化,影响级间匹配及其气动稳定性。为了保证压气机在高负荷环境下的正常工作,本文工作主要围绕端壁造型这一被动流动控制方法,根据该技术的应用现状与难题,以压气机的端区流动机制为基础,挖掘端壁造型技术控制角区分离的潜力,在理论及应用方面开展推进研究。研究分五个部分,在对三维分离与端壁造型技术的既有研究结果进行回顾之后,本文首先建立了一种适用于压气机的新型经验式造型方法。随后借助数据挖掘技术与优化造型技术进一步得到用于指导经验式造型的准则。第三部分通过实验验证新造型方法与数据挖掘结论在轴流压气机中的适用性。第四部分提出了一种端壁造型的反向设计方法,并在高负荷轴流压气机叶栅验证了其适用性和相比于经验设计法的优越性。最后一部分研究了在串列压气机中应用端壁造型的流动控制规律,并对端壁造型的级间干涉现象开展探讨。各部分详细情况与主要结论如下:1.围绕“适用于局部流动控制”这一思路,发展了一套适于在压气机中控制角区分离的端壁造型法。该方法将端壁造型对流场的作用抽象成在不同位置对端区流动进行加强或弱化的造型单元,通过对多个造型单元进行加权“叠合”,使最终端壁造型结果具有各叠层对端壁二次流动的综合控制效果。根据新发展的“叠合造型”方法,开发了与之对应的端壁造型软件。经验证,新型端壁造型方法可以在一定程度上提升压气机叶栅性能,总体损失改进量虽不显著,但效果仍优于传统方法;造型软件具有良好适用性;通过合理调整各叠层造型权重可进一步改进造型效果。2.基于对一典型高负荷压气机叶栅的数值分析,运用相关性分析法、自适应神经网络对端壁造型数据库进行数据挖掘,获得了适用于典型高负荷压气机叶端流场的流动控制规律。研究结论为经验式端壁造型法提供了设计指导,研究发现:只有在角区分离大幅扩展时,全局损失才与二次流与通道涡发展紧密关联,此时可以通过控制二次流强度来抑制通道损失。对角区分离有效的流动控制方法都应在三维分离起始的位置减小端壁流动的流向速度,同时促进吸力面局部的横向流动,以此推迟分离起始;在其下游低速区堆积的位置,同时促进流向与横向的流动,使端壁流冲向低速区并与之掺混以减轻分离损失;此外,通道中部至压力面附近对横向流动的弱化作用有助于抑制吸力面角区分离的形成。3.以一亚音速轴流压气机级为研究对象,由经验式造型法结合端壁流动控制规律为压气机静子机匣设计端壁造型实验件,使用三孔探针、五孔探针的进行级间流场参数测量,通过壁面静压孔测量端区压力分布,并借助油流实验观测端壁、吸力面角区的流动轨迹。实验发现,在压气机级环境中的角区分离虽受到非定常、非均匀进口影响,其发展及随节流变化规律与高负荷叶栅并无定性差距。端壁造型实验件有效控制了角区分离现象,压气机在静叶最小损失点的级效率提升量达到0.45%,端区损失在全功况范围内有所下降,稳定裕度变化不大。新型经验式造型法与数据挖掘所得端壁流动控制方法在轴流压气机中的适用性得到验证。4.按照压气机的端区流动特征,建立了一套反向设计压气机端面的全新方法。研究结合端区流动的特征,将原本复杂的端区流动抽象为简单的双层流动结构,并最终推导出简化模型的微分气动方程组,通过给定端区流动分布可直接求解出端壁型面。数值分析证实了反向设计法相比于经验式设计方法的显著优势。由于型面起伏规律由计算确定,对于壁面压力分布的控制更加精准,避免了经验式造型中由于局部壁面起伏过于剧烈导致的分离恶化现象。与优化造型相比,反向设计法耗时少,其在设计点对损失的效果可与优化造型结果相比拟;在近失速点减小损失的程度约达到优化造型的50%。5.以某高负荷带串列静子的压气机级为研究对象,在完成了数值计算精度验证之后,将该压气机转子、静子端壁参数化为用30、28个自由参数控制的编制曲面。随后借助数值优化方法,依次对静子、转子、整级进行优化端壁造型。研究发现在大稠度与来流附面层倾斜影响下,串列静子前叶的压力面尾缘与缝隙反流易生成流动堵塞,且基本不随节流变化。最优的端壁造型控制方案需在前叶通道前压制起源于压力面角区的流动分离,加速端区缝隙内流速以吹除阻塞,同时在后叶通道中通过抑制角区分离起始及加速端壁流动与分离低速区的预掺混作用而控制分离损失。端壁造型的级间干涉作用显著。最优转子端壁通过改善静子入口的气动条件大幅减小静子损失。级造型则未必最大化每一个叶排的气动收益,但却能通过同时提升转、静子各自性能的方式最大程度提升压气机的总体性能。