提高压缩系统的稳定性一直是航空发动机设计必须解决的重要课题。机匣处理等端壁处理技术是拓宽压气机稳定工作范围的重要手段。与传统的端壁处理技术相比,叶顶喷气和自循环机匣处理具有提升压气机失速裕度的同时不降低或提高压气机效率的优势,近十几年来受到国内外学者的广泛关注。为了设计出高效且具有工程应用价值的扩稳结构,本文选取了亚音速转子、跨音速转子和跨音速多级轴流压气机作为研究对象,对叶顶喷气和自循环机匣处理开展了参数化实验研究和数值研究,力图从亚音速到跨音速、从单级到多级的宽广范围内探索出叶顶喷气和自循环机匣处理的设计规律及流动机理。本文首先对喷嘴和自循环机匣处理的实验件进行了优化设计和模块化设计,得到了高效、紧凑的喷嘴和自循环机匣处理。在此基础上,首先针对亚音速转子开展了叶顶喷气的实验研究,通过对叶顶压力场的测量和全通道非定常数值模拟揭示了叶顶喷气的扩稳机理,并结合对跨音速转子叶顶喷气的数值研究讨论了叶顶喷气在亚音速和跨音速压气机中应用的异同。其次,以实验为手段详细研究了自循环机匣处理在亚音速压气机中的设计规律及流动机理,详细分析了自循环机匣处理同时提高压气机失速裕度和效率的原因。最后,针对传统机匣处理和叶顶喷气都无法进行扩稳的跨音速多级压气机,设计了一种新型自循环机匣处理,并通过对静子的重新设计讨论了转、静子进行联合扩稳设计的可行性。主要的研究内容和结论如下:1.喷嘴和自循环机匣处理的设计。高效、紧凑的喷嘴和自循环机匣处理是进行叶顶喷气和自循环机匣处理研究的前提。通过对喷嘴和自循环机匣处理的优化设计,喷射流紧贴机匣壁面,自循环机匣处理的总压恢复系数高达0.98。在此基础上,对喷嘴和自循环机匣处理的实验件进行了模块化设计,得到了18种喷气结构和18种自循环机匣处理结构。2.叶顶喷气的作用规律和流动机理。在亚音速压气机上实验研究了喷嘴的喉部高度和周向分布形式等对压气机失速裕度的影响规律,并对组合端壁处理(叶顶喷气和传统机匣处理的组合)进行了实验测试。研究发现,使用0.64%的喷气量可提高压气机15%的流量裕度,叶顶喷气可将周向槽机匣处理的失速裕度由9%提升至19%,而不能进一步提升轴向缝机匣处理的失速裕度。通过对叶顶喷气的参数化研究发现,当喷嘴处于堵塞状态时,压气机的失速裕度达到最大;最佳的喷嘴喉部高度为2倍转子叶顶间隙,最佳的周向覆盖比例为8.3%;喷嘴的周向分布形式和进气畸变对叶顶喷气的扩稳效果无显著影响。在跨音速压气机上通过多通道非定常数值模拟开展了叶顶喷气的参数化研究,结合对叶顶堵塞的定量分析和相关分析发现,喷气效率(喷气作用范围内的叶顶堵塞的平均减小量)决定了压气机失速裕度改进量的大小。通过对亚音速和跨音速压气机中叶顶喷气的对比发现,叶顶喷气对于两者的扩稳机理是一致的,均在于对压气机叶顶堵塞的有效抑制。叶顶喷气的非定常效应表现在,喷气影响下叶顶堵塞的恢复滞后于叶顶泄漏涡的恢复,这使得沿周向离散分布几个喷嘴即可较大提升压气机的失速裕度。3.自循环机匣处理的作用规律和流动机理。以亚音速压气机为研究对象,在三个转速下实验测试了18组自循环机匣处理的性能,结合对转子叶顶压力的测量和全通道非定常数值模拟揭示了自循环机匣处理提升压气机失速裕度和效率的流动机理。研究发现,自循环机匣处理对压气机失速裕度的最大提升量约为10%,对压气机效率的最大改进量约为2%。自循环机匣处理的扩稳机理主要在于高速射流对叶顶泄漏涡诱发的叶顶堵塞的抑制作用,对压气机效率的改进主要在于对二次泄漏流非定常性的改变和对泄漏流量的降低。4.跨音速多级压气机中自循环机匣处理设计的探索。该压气机在90%设计转速下的失速类型为典型的叶顶过载失速,实验研究发现传统的机匣处理无法提升该压气机的失速裕度。新型自循环机匣处理以抽吸转子叶顶低能流体为手段来改善转子叶顶的流动状况,使压气机的综合裕度提高10.96%,设计点效率提升0.54%。在自循环机匣处理的作用下,压气机的失速触发位置转移至静子。通过对静子的优化设计,进一步提高了压气机的失速裕度。