现代航空发动机的进一步发展对压气机负荷和效率提出了更高的要求,低反力度压气机作为一种能够保证高效流动及高增压比的新技术,对于改善航空发动机压缩系统性能具有重要意义。叶顶间隙流对压气机的总体性能和内部流动稳定性具有显著影响,但目前对低反力度压气机间隙流动结构的认识仍不完善,内部流动机理亟待探究。本文以课题组前期设计的某三级低反力度高负荷压气机的首级转子为研究对象,针对低反力度跨声速转子叶顶间隙流动的机理和控制问题展开详细的数值模拟研究。主要的研究内容和结论如下:首先,本文研究了叶顶间隙流对低反力度跨声速转子宏观特性的影响。由于间隙尺寸是决定叶顶间隙流最直接的几何参数,因而对不同间隙尺寸下的流场进行了全工况数值模拟。研究发现,间隙流是导致转子气动性能降低的主要原因,随着间隙尺寸的增大,转子的堵塞流量减小,总压比和效率在整个流量范围内均有降低,但稳定工作范围呈现先增大后减小的变化趋势。其次,为了完善对低反力度跨声速转子叶尖区域流动机理的认识,采用多通道非定常数值模拟方法深入考察了不同间隙尺寸下激波/泄漏涡干涉、泄漏涡非定常波动、预失速状态等微观特性的变化。结果表明,低反力度压气机的失速源位于叶尖区域,不同间隙尺寸下,转子的失速机制不同。小间隙尺寸下,激波/附面层干涉在吸力面-机匣角区形成的大范围堵塞是促使压气机失速的主要原因。而在大间隙尺寸下,激波/泄漏涡干涉作用导致了涡破碎的发生,并在叶尖区域形成跨通道的旋转扰动结构,涡破碎现象加剧了叶尖流场的恶化,最终引发压气机失速。在上述研究基础上,为有效抑制间隙流或泄漏涡的形成,从而提高压气机的气动性能,本文引入了弯叶片技术用于减小间隙流的影响效果。本文针对周向弯曲和弦法向弯曲两种弯曲形式开展了一系列参数化研究,通过对比分析原型和弯曲叶片的流场特性,得到了几何造型参数对流场结构和性能参数的影响规律。研究发现,较大幅度的负弯角和较低的弯高更有助于削弱主泄漏强度,从而减弱激波/泄漏涡干涉,降低叶尖区域的泄漏损失和激波损失。两种弯曲形式下转子的特性线和流场结构呈现不同的特点。与弦法向弯曲相比,周向弯曲可以在保证转子通流能力的同时,提高总压比和效率。此外,周向弯曲对主泄漏涡强度和激波位置的控制效果更明显,减弱吸力面角区低能流体堆积的作用也更强。因此,在低反力度跨声速转子的气动设计中,推荐使用周向反弯,可以在满足强度要求的前提下选择较大幅度的弯角和较低的弯高。最后,考虑到几何高度复杂的三维叶片可能存在颤振和强度问题,本文开展了周向槽机匣处理对低反力度转子间隙流动的控制研究。通过在一定范围内改变周向槽的位置、深度和覆盖范围生成了一系列周向槽构型,采用数值模拟的手段快速评估了不同构型的性能,详细分析了几何设计参数对叶尖流场的影响规律,得出了周向槽机匣处理在低反力度压气机背景下的设计准则。结果表明,当周向槽位于前40%轴向弦长范围内时,周向单槽可以在不损失效率的前提下扩大转子的稳定工作范围。槽深的变化仅在0%和10%轴向位置对失速裕度有显著影响,失速裕度的最大增幅达6%。前缘至30%轴向位置范围内槽深的增加不利于效率的提升;30%轴向位置至尾缘范围内,槽深对峰值效率的影响不明显。此外,周向多槽的布局方式既有效控制了叶尖泄漏涡的产生和发展,同时也缓解了叶尖区域的流动堵塞。周向槽破坏了间隙流动的形成机制,显著提升了转子的总体性能,延缓了由间隙流动引起的压气机失速。