【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】渦輪盤腔是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中的關(guān)鍵部件，其流動(dòng)特性和熱傳遞性能對(duì)整個(gè)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(dòng)非常復(fù)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(fù)雜的流動(dòng)環(huán)境導(dǎo)致了渦輪盤腔內(nèi)邊界層的不穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)捩過程，進(jìn)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?xì)鈴臏u輪葉片間隙進(jìn)入盤腔 ，對(duì)渦輪盤產(chǎn)生熱負(fù)荷。為了降低渦輪盤的溫度 ，通常采用二次空氣系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行冷卻。二次空氣從壓氣機(jī)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(dòng)狀態(tài)直接影響了冷卻效果和熱應(yīng)力分布，因此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制盤腔內(nèi)的流動(dòng)對(duì)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(dòng)研究主要基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量和簡(jiǎn)化模型 ，但受限于實(shí)驗(yàn)條件和模型假設(shè)，其結(jié)果難以全面反映真實(shí)的流動(dòng)物理過程。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展 ，數(shù)值模擬成為研究渦輪盤腔流動(dòng)的有力工具。直接數(shù)值模擬(DNS)能夠解析流動(dòng)中的所有尺度，提供詳細(xì)的流場(chǎng)信息 ，但計(jì)算成本很高。近年來 ，全局線性穩(wěn)定性分析在轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)方面顯示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì) ，通過求解linearized Navier-Stokes方程的特征值問題 ，可以獲得流動(dòng)的不穩(wěn)定特征和轉(zhuǎn)捩機(jī)制。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)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(dòng)的失穩(wěn)轉(zhuǎn)捩機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn) ，在雷諾數(shù)較低時(shí)，盤腔內(nèi)的流動(dòng)主要表現(xiàn)為層流，隨著雷諾數(shù)增加 ，流動(dòng)開始出現(xiàn)不穩(wěn)定性，并最終發(fā)展為局部湍流。進(jìn)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(dǎo)致湍流觸發(fā)的主要物理機(jī)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(dòng)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(duì)應(yīng)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(dǎo)致的螺旋波形態(tài)的擾動(dòng)波，其徑向波長(zhǎng)約為20個(gè)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(gè)階段，首先是線性階段，失穩(wěn)螺旋模態(tài)能量不斷增長(zhǎng)；當(dāng)?shù)竭_(dá)非線性階段時(shí)，失穩(wěn)螺旋模態(tài)以負(fù)群速度向上游高雷諾數(shù)區(qū)域推進(jìn)；最終階段非線性飽和，其導(dǎo)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(dǎo)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(shí)渦量可視化結(jié)果。
以上研究工作得到國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2019-II-0022-0043)、國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目(N0.52122603)、國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)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(qiáng)，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(dòng)速度分布，(b)面擾動(dòng)速度分布
圖3：模態(tài)能量隨時(shí)間的變化
圖4：轉(zhuǎn)靜系盤腔內(nèi)局部湍流的渦量可視化
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