超高负荷低压涡轮叶栅的流动损失机理和控制方法

The increase in blade loading of a low-pressure turbine will lead to higher adverse pressure gradient on the rear part of the suction surface. As a result, a large separation bubble is more likely to occur, and the endwall secondary flows may also be enhanced. Therefore, insight into the flow physics and loss mechanism of an ultrahigh-lift low-pressure turbine should be taken to provide fundamental and technological supports for the design of advanced low-pressure turbine of aeroengine. In this project, the flow physics and loss mechanism of an ultrahigh-lift low-pressure turbine cascade will be investigated by both large-eddy simulation (LES) and theoretical analysis. The boundary layer separation at the midspan, the endwall secondary flow, the induced effect of the passage vortex on the flows at midspan, and the influence of the upstream incoming wakes upon the endwall secondary flows, etc. will be reacquainted based on the identification and analysis of local flow structures. The source of the entropy increment is decomposed into entropy production in mean flow and that in turbulent fluctuations based on the Reynolds-averaged entropy balance equation. The correlation between the boundary enstrophy flux (BEF) and the entropy production in the mean flow will be studied based on the fundamental theory of vortex dynamics. The flow structure-based control method shall be proposed through the deep understanding of the interactions mechanism of local flow structures.

随着气动载荷的提高，低压涡轮叶片吸力面更容易形成大的流动分离，端壁二次流也可能增强，这将导致流动损失增大，气动效率降低。因此迫切需要开展关于超高负荷低压涡轮的复杂流动特性以及损失机理的研究，为先进航空发动机低压涡轮的设计提供理论和技术支撑。本项目以超高负荷低压涡轮叶栅为研究对象，通过大涡模拟和理论分析的手段，开展低压涡轮的流动特性和损失机理。通过识别和分析局部湍流结构重新研究叶中边界层分离，端壁二次流，端壁二次流对叶中流动分离的诱导作用，以及上游尾迹与端壁二次流的相互作用机理。在理论分析方法上，本项目基于雷诺平均熵平衡方程，将熵增来源分解为平均流耗散和湍流耗散进行定量分析，基于涡动力学中的相关理论，将边界拟涡能流与剪切过程以及平均流耗散产生的熵增建立关联，详细分析超高负荷低压涡轮气动损失与流动结构的生成与演化的关系。通过对局部流动结构作用机理的深入理解提出基于流动结构的控制方法。

本项目以超高负荷低压涡轮叶栅为研究对象，通过雷诺平均模拟、大涡模拟和理 分析的手段开展超高负荷低压涡轮叶栅的流动特性、损失机理以及流动控制研究。项目研究内容和取得的关键研究成果如下。. （1）完成三维低可压缩内流数值模拟源代码的集成和优化，开发了转捩约束的大涡模拟模型，通过典型内外流算例及与对标实验数据的对比，校验了代码、网格质量和大涡模拟模型的可靠性。. （2）获得了关键参数情况下超高负荷低压涡轮叶栅内流大涡模拟数据，以及流动结构时空演化过程和特征，系统分析了入口条件对超高负荷低压涡轮叶中流动、端壁二次流中分离和转捩的影响机理。. （3）基于零质量射流（周期吹吸扰动）方法初步研究了超高负荷低压涡轮流动的主动控制方法，获得了最佳射流位置、最佳射流周期及幅值，为抑制超高负荷低压涡轮的流动分离，降低流动损失提供了理论支撑。. 总之，本项目研究圆满完成了项目计划书中的研究内容，达到了项目研究目标。部分成果已经发表在流体力学相关领域的核心期刊。