【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】渦輪盤腔是航空發(fā)動機和燃氣輪機中的關(guān)鍵部件，其流動特性和熱傳遞性能對整個系統(tǒng)的效率和可靠性有著重要影響。渦輪盤腔內(nèi)的流動非常復雜，涉及旋轉(zhuǎn)邊界層、靜止邊界層以及兩者之間的相互作用。這種復雜的流動環(huán)境導致了渦輪盤腔內(nèi)邊界層的不穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)捩過程，進而影響了熱傳遞和結(jié)構(gòu)完整性。在渦輪盤腔內(nèi)，高溫燃氣從渦輪葉片間隙進入盤腔 ，對渦輪盤產(chǎn)生熱負荷。為了降低渦輪盤的溫度 ，通常采用二次空氣系統(tǒng)對其進行冷卻。二次空氣從壓氣機引入，經(jīng)過渦輪盤腔 ，最終從渦輪葉片尾緣排出。渦輪盤腔內(nèi)的流動狀態(tài)直接影響了冷卻效果和熱應力分布，因此準確預測和控制盤腔內(nèi)的流動對于優(yōu)化冷卻方案和提高渦輪盤壽命至關(guān)重要。
 

　　傳統(tǒng)的渦輪盤腔流動研究主要基于實驗測量和簡化模型 ，但受限于實驗條件和模型假設，其結(jié)果難以全面反映真實的流動物理過程。隨著計算流體力學的發(fā)展 ，數(shù)值模擬成為研究渦輪盤腔流動的有力工具。直接數(shù)值模擬(DNS)能夠解析流動中的所有尺度，提供詳細的流場信息 ，但計算成本很高。近年來 ，全局線性穩(wěn)定性分析在轉(zhuǎn)捩預測方面顯示出獨特優(yōu)勢 ，通過求解linearized Navier-Stokes方程的特征值問題 ，可以獲得流動的不穩(wěn)定特征和轉(zhuǎn)捩機制。中國科學院工程熱物理研究所先進燃氣輪機實驗室的研究工作結(jié)合了直接數(shù)值模擬和全局線性穩(wěn)定性分析，深入探討了渦輪轉(zhuǎn)靜系盤腔流動的失穩(wěn)轉(zhuǎn)捩機理。研究發(fā)現(xiàn) ，在雷諾數(shù)較低時，盤腔內(nèi)的流動主要表現(xiàn)為層流，隨著雷諾數(shù)增加 ，流動開始出現(xiàn)不穩(wěn)定性，并最終發(fā)展為局部湍流。進一步的穩(wěn)定性分析表明 ，無粘不穩(wěn)定性(Inviscid instability)和粘性不穩(wěn)定性(Viscous instability)的非線性相互作用是導致湍流觸發(fā)的主要物理機制。這一發(fā)現(xiàn)有助于理解渦輪盤腔內(nèi)湍流的產(chǎn)生過程 ，為湍流模型的發(fā)展和流動控制策略的制定提供了理論基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)靜系盤腔中全局失穩(wěn)臨界雷諾數(shù)Rec=51748，對應的失穩(wěn)周向波數(shù)β=32 ，其特征是邊界層內(nèi)的無粘不穩(wěn)定性導致的螺旋波形態(tài)的擾動波，其徑向波長約為20個粘性尺度，見圖1。
 

　　失穩(wěn)螺旋模態(tài)的演化過程可分為三個階段，首先是線性階段，失穩(wěn)螺旋模態(tài)能量不斷增長；當?shù)竭_非線性階段時，失穩(wěn)螺旋模態(tài)以負群速度向上游高雷諾數(shù)區(qū)域推進；最終階段非線性飽和，其導致的基本流修正誘發(fā)了粘性圓波模態(tài)，粘性圓波模態(tài)與無粘失穩(wěn)螺旋模態(tài)共存，見圖2。
 

　　在更高的雷諾數(shù)區(qū)域，第三階段中粘性圓波模態(tài)與無粘螺旋模態(tài)非線性相互作用導致高波數(shù)模態(tài)能量出現(xiàn)陡增，最終觸發(fā)轉(zhuǎn)靜系盤腔內(nèi)局部湍流。圖3為模態(tài)能量的變化，圖4為瞬時渦量可視化結(jié)果。
 

　　以上研究工作得到國家科技重大專項(2019-II-0022-0043)、國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金項目(N0.52122603)、國家自然科學基金青年科學基金項目(No.52106064)支持。相關(guān)研究成果以“Onset of turbulence in rotor–stator cavity flows”為題發(fā)表在Journal of Fluid Mechanics期刊上，作者為謝亞廣，杜強，謝壘，王志成和李思懌。
 

圖1：(a)失穩(wěn)中性曲線，(b)臨界雷諾數(shù)，(c)失穩(wěn)模態(tài)特征
 

圖2：(a)子午面擾動速度分布，(b)面擾動速度分布
 

圖3：模態(tài)能量隨時間的變化
 

圖4：轉(zhuǎn)靜系盤腔內(nèi)局部湍流的渦量可視化