强剪切受限空间中复杂涡系的相互作用机理及建模

Thorough understanding of leakage flow characteristics and mechanism in cavity tip and developing models of them are significant for the development of turbine fine aerodynamic design technology. This project will investigate the mechanism of vortex system generation and interaction in turbine blade tip cavity that is a strong shearing restricted space, by using experimental, numerical and theoretical analysis. The dominant flow structure for the leakage flow will be verified and the influence mechanism of the geometry and aerothermodynamic parameters on them will also be confirmed. And then, this project will study the entropy generation and evolution in the unsteady mixing of leakage flow and main flow near the blade tip. Meanwhile, the effects of the mixing process on the temperature field transportation will also be discussed. Based on the studies mentioned above, this project will provide the influence mechanism of tip leakage flow on flow structures in main flow passage, aerodynamic performance, and heat transfer characteristics near the blade tip. Finally, on the basis of the vorticity field kinematics and dynamics theories, mathematical and physical models of turbine cavity tip leakage flow characteristics and its effects will be proposed. Moreover, the priority and importance level of each geometry and aerothermodynamic parameter will be analyzed and classified, which will provide a critical theoretical foundation for turbine cavity design. The research achievements of this project are direct technical supports for the development of turbine fine aerothermodynamic design technology.

深入理解涡轮动叶凹槽叶尖泄漏复杂流动机理并建立相应数学物理模型对于涡轮精细化设计方法的发展具有重要意义。本项目将采用实验、数值模拟和理论分析相结合的方法，研究涡轮动叶凹槽叶顶强剪切受限空间中复杂涡系的产生、演化及相互作用机理，探寻影响凹槽叶尖泄漏特性的叶顶主控流动结构，并给出几何/气动热力条件对流动演化的影响机制；其次，通过凹槽叶顶条件下叶尖泄漏流动与通道流动非定常掺混过程的研究，揭示叶尖处熵的产生和输运机制，以及涡系相互作用对温度标量场的非定常输运机制，获得泄漏流动对气动性能和尖部换热特性的影响规律；最终基于涡量场的运动和动力学理论建立能够描述涡轮凹槽叶尖泄漏流动特征及其影响的数学物理模型，分析几何/气动热力参数影响的权重，为凹槽叶顶设计提供理论依据。本项目的研究成果可为高性能涡轮部件气动热力精细化设计技术的发展提供直接的技术支持。

目前，航空发动机高压涡轮中的叶尖泄漏损失通常占叶片排总损失的30%以上，而凹槽叶尖是目前一种广泛应用的控制泄漏流动的方式，但其间隙内部涡系演化机制和损失产生机理尚不明确。因此深入理解涡轮动叶凹槽叶尖泄漏复杂流动机理并建立相应数学物理模型对涡轮精细化设计方法的发展具有重要意义。.本项目首先发展了一套研究凹槽叶尖泄漏流动的高精度实验和数值模拟方法：搭建了一个考虑相对运动的多功能实验台，推导得到高低速相似变换准则，以及能捕捉到刮削涡结构的探入式PIV测量方案。此外还完善了脱体涡模拟（DES）程序。基于以上实验与数值模拟结果，建立凹槽叶尖泄漏流动的高精度数据库。分析得到了凹槽叶尖的气热特性，并确认了凹槽内刮削涡是主控流动结构。确定通道内掺混损失在叶尖泄漏损失中占主导地位，并利用多尺度分解方法掺混损失的来源进行评估。探讨了喷气对泄漏流动的影响，总结得到各喷气参数对叶尖性能的影响规律。基于所建立的高精度数据库，发展出能够准确描述的叶尖泄漏流动特征和换热特性的数学物理模型，并推导出涡轮通道中的泄漏流掺混损失模型。利用以上规律和模型，确定凹槽叶尖设计参数的最佳范围，最终通过合理地选择凹槽叶尖负荷分布以及几何参数控制刮削涡的形态，可以有效降低叶尖泄漏损失。.本项目的研究成果可为高性能涡轮设计提供新的自由度，并为涡轮气动热力精细化设计提供直接的技术支持，研究成果已经在某预研高压涡轮中得到应用。