叶轮机械流动转捩与分离控制研究

Laminar-turbulent transition prediction plays a key role in the design of turbine blades. By using advanced numerical methods, the present work is to figure out both the mechanism of flow transition/separation and the dominate flow-control parameters on real-geometric blades. We divided this work into three stages: 1) a transition/turbulence model available in turbomachinery flows will be proposed and validated, with the test cases include the flat-plate boundary layer with high level of free stream turbulence intensity and the adverse pressure gradient, and some standard two-/three-dimensional cascade boundary layers. This model will be then coupled with the hybrid RANS/LES method; 2) based on the new method, we will investigate the variation of transition-onset, separation and reattachment locations in different the blade-geometric parameters, inflow Reynolds number and inflow Mach number. Consequently, streamline-topology analysis and spectrum analysis will be carried out to understand the basic flow dynamics; 3) the active flow control technology will be further studied, with the fluidic vortex generators (FVG) considered as the control device.

航空叶轮机叶片设计的一个关键问题就是要准确预测叶片边界层由层流向湍流的转捩过程。本课题将开展针对叶轮机械流动转捩与分离控制问题的精细数值模拟，掌握真实三维叶片边界层流动转捩及分离的形成机理与特征，获得流动主动控制技术的关键参数，为下一代叶轮机叶片的设计提供参考。具体研究拟分为三个阶段：1）以高来流湍流度和逆压梯度下的平板边界层、基准的二维/三维叶片边界层作为研究对象，构造并验证一个合理的转捩/湍流模型，继而将该模型与雷诺平均/大涡模拟混合方法相结合，发展一种新型的计算方法；2）应用该方法，探讨来流雷诺数、来流马赫数以及叶片几何参数等对真实三维叶片边界层流动转捩点位置、转捩区长度、分离点以及再附点位置的影响，并通过表面流线拓补分析和频谱分析归纳出流动的非定常演化规律；3）根据基本流的特征，进一步研究流动主动控制问题，拟选择的控制装置为射流涡流发生器(FVG)。

现代航空工业对于叶轮机叶片边界层的预测提出了更高的要求。因此，准确预测由层流向湍流的转捩过程成为了航空叶轮机叶片设计的一个关键问题。本项目开展了针对叶轮机械流动转捩与分离控制问题的精细数值模拟，掌握真实三维叶片边界层流动转捩及分离的形成机理与特征，获得了预测叶轮机械内分离流转捩的关键参数，为下一代叶轮机叶片的设计提供参考。.本项目针对组内已有转捩模式进行改进，使之能更好地适应叶轮机械内的分离流转捩问题。以某型低压涡轮叶片为研究模型对改进模式和其他常用分离流转捩模式完成验证工作，对模式的优势和不足做出分析。使用直接数值模拟（DNS）深入研究分离流转捩的机理，并取得了阶段性进展，为进一步建模提供了理论依据。使用高精度脱体涡模拟（DES）方法考察更为复杂的带端壁三维压气机流场，展开了对分离流转捩与角涡相互干扰问题的研究。.研究内容详细深入，包含了叶轮机械内部各种形式的分离流转捩问题，并取得了丰硕的成果。为叶轮及叶片预测奠定了理论基础。