涡轮内部时间-空间多尺度流热耦合LES方法发展与机理研究

High temperature as well as a strong temperature gradient is one of the essential aerothermodynamics features of gas turbines, that makes the heat transfer between the fluids and structures are remarkable and also strengthen the temporal-spatial multi-scale nature of the coupled aero-thermal problems in gas turbines. Unfortunately, due to the shortage of understanding of these problems, the accurately prediction and assessment of aeroperformance and component life of gas turbines, especially of air-cooling gas turbines are still difficult and unsatisfactory. Therefore, this study will develop a high-accuracy spatial multi-scale large eddy simulation (LES) code for 3D flows in gas turbines firstly, and then a temporal-spatial multi-scale LES tool will be established and verified carefully. On this basis, we will thoroughly study the temporal-spatial multi-scale coupled aero-thermal mechanisms of representative gas turbines under steady and unsteady conditions and establish high-precision databases. The boundary layer temporal and spatial evolution mechanisms and coherent structure characteristics under the true heat-transfer condition in gas turbines, as well as the mechanism of evolutions of fine structures in secondary flows near the end walls and blade boundary layers under the conditions of existing of film cooling and its effects on aeroperformance will be discussed in detail. Moreover, the variation laws of the flow structures and aerodynamic efficiency under the influence of the heat-transfer and film cooling will be concluded. This study will ultimately establish a substantial theoretical foundation for the aerodynamic and cooling design of advanced gas turbines and also provide valuable database and technique support.

高温/强温度梯度是燃气涡轮的基本气动热力学特征之一，决定了其内部流体域与固体域之间存在强烈热交换，也使其内部流热耦合问题的多尺度性更加显著。受限于对该问题认识的深度，目前对燃气涡轮、尤其是气冷涡轮的气动性能和部件寿命等的预测和评估精度仍不能令人满意。对此，本项研究将首先开发能高精度捕捉燃气涡轮内部空间多尺度流动的LES程序，进而发展适用于流热耦合时间-空间多尺度问题的数值模拟工具并进行验证。在此基础上，对定常/非定常环境下燃气涡轮内部的时间-空间多尺度流热耦合机理进行深入研究，建立高精度数据库，重点探讨真实换热条件下叶片边界层的时空演化机制和拟序结构特点、气膜冷却条件下叶片边界层和端区二次流动中精细流动结构的演化机制及其对涡轮气动性能的影响机理，并总结涡轮内部流动和气动性能受换热/冷却等因素的影响规律。本研究最终将为先进燃气涡轮的气动和冷却设计打下坚实理论基础、并提供直接的数据和技术支持。

强压力梯度和强温度梯度是燃气涡轮的关键气动热力学特征，在多学科耦合真实压力和热环境中深入研究燃气涡轮内部时间-空间多尺度流热耦合机理对提高燃气涡轮的设计水平和精准度具有非常重要的意义，是发展具有强大竞争力的先进燃气涡轮的必要支撑。本项研究在现有研究的基础上，完善和改进了现有流体域大涡模拟程序，并完成校验，实现了对涡轮内部三维非定常流场的精细流动结构进行快速、准确的捕捉；发展了适用于流热耦合多尺度问题的大涡模拟程序，并选取典型算例对其进行了详细校验，验证了其精度和鲁棒性，在此基础上，发展了固体域非定常导热的频域求解方法，开发了适用于流热耦合空间-时间多尺度问题的数值模拟程序并进行验证。在此基础上，应用所发展的大涡模拟程序对不同来流湍流度和不同尾迹特性条件下高负荷涡轮叶栅边界层的精细时空演化进行了数值仿真研究，给出了来流湍流度、尾迹折合频率等关键参数对边界层演化影响的物理机制，获得了不同来流条件下涡轮叶栅边界层物理机理，为高效、高负荷涡轮气动设计提供了技术支撑；最后对压力梯度和不同壁面换热条件下的边界层进行了精细仿真研究，给出了不同湍流度时壁面换热条件对分离边界层的转捩、再附等关键演化行为的影响，并初步获得了壁面换热条件对边界层多尺度流动结构和转捩的影响机理。研究结果表明，等温冷壁面条件下分离剪切层展向涡卷起的频率降低且展向脱落的位置比绝热壁面条件下靠前，分离剪切层内的相干结构尺度整体减小，促使分离边界层转捩加速，再附位置前移，在分离剪切层的失稳过程中K-H无粘不稳定机制占主导地位。随着背景湍流度的增强，分离剪切层更靠近壁面，分离的范围进一步缩小，K-H无粘不稳定机制作用的影响减弱。本项研究揭示了不同来流条件下壁面换热对分离边界层多尺度流动结构时空演化影响的动力学机理，为真实低压涡轮边界层的有效控制奠定理论基础并提供直接的数据和技术支持，为涡轮的精细化设计提供了新的自由度。