具有叶顶间隙的超高负荷涡轮叶栅内附面层迁移的涡动力学机理

本研究选择一种典型的超高负荷平面涡轮叶栅，叶型折转角为160o，分别对有/无叶顶间隙的叶栅内部流场开展数值模拟；在平面叶栅风洞中利用微型5孔探针和热线风速仪探头对叶栅进出口流场进行详细测量，对叶栅端壁、叶片表面及叶顶间隙区进行油流显示和烟丝显示。同时，结合拓扑分析理论，精确捕捉附面层分离和再附的位置及其流动特征，讨论有/无间隙条件下超高负荷涡轮叶栅内部的旋涡发展过程，揭示来流附面层对间隙涡运动的影响规律，探索间隙涡与主流涡的相互作用机制，建立具有叶顶间隙的超高负荷涡轮叶栅旋涡模型。目的是在定量考察流场参数（速度、压力、涡量、损失）的基础上，利用拓扑学规律定性地归纳与总结，从涡动力学的角度探索间隙流动对叶栅内部附面层迁移、气流掺混及叶栅损失的影响，为超高负荷涡轮的应用与发展提供理论依据。

本基金以大转折角超高负荷涡轮平面叶栅作为研究对象，在实验测量基础上，采用数值模拟研究方法，并结合涡动力学分析理论，研究有/无叶顶间隙超高负荷涡轮平面叶栅内附面层迁移、旋涡发展及损失分布之间的内在联系。.（1）无间隙超高负荷涡轮叶栅内的流动。通过数值模拟，并结合实验测量结果，分析超高负荷平面涡轮叶栅内马蹄涡、通道涡、壁角涡、尾缘涡和端壁二次涡等涡系的产生、发展和演化过程，以及它们之间的相互作用关系，建立了旋涡模型；在此基础上，研究了进口冲角对流动影响，结果表明超高负荷涡轮叶栅对冲角的变化十分敏感，随着冲角的增大，流动效率急剧下降。.（2）具有不同叶顶间隙的超高负荷涡轮叶栅内的流动。采用数值模拟方法与拓扑分析理论相结合的方式研究具有叶顶间隙的超高负荷涡轮叶栅内间隙流动特征，详细分析泄漏涡、叶顶分离涡、上通道涡等的流动细节，建立了旋涡模型。.（3）来流附面层对具有叶顶间隙的超高负荷涡轮叶栅旋涡结构的影响。本基金项目主要分析间隙高度和来流附面层厚度对流场的影响。结果表明，超高负荷涡轮叶栅叶顶间隙区存在多种形式的流动分离，泄漏流非常强烈，不仅直接影响上通道涡的形成与发展，使通道涡整体向叶根移动，而且部分泄漏流进入下通道涡；随着间隙高度增加，叶顶分离涡和泄漏涡均明显增强，叶片负荷尤其是叶尖负荷有所降低；来流附面层厚度变化对流动的影响相对较小，随着附面层厚度的增加，旋涡强度、尺寸以及总压损失系数略有增加。