【儀表網 研發快訊】渦輪盤腔是航空發動機和燃氣輪機中的關鍵部件，其流動特性和熱傳遞性能對整個系統的效率和可靠性有著重要影響。渦輪盤腔內的流動非常復雜，涉及旋轉邊界層、靜止邊界層以及兩者之間的相互作用。這種復雜的流動環境導致了渦輪盤腔內邊界層的不穩定性和轉捩過程，進而影響了熱傳遞和結構完整性。在渦輪盤腔內，高溫燃氣從渦輪葉片間隙進入盤腔 ，對渦輪盤產生熱負荷。為了降低渦輪盤的溫度 ，通常采用二次空氣系統對其進行冷卻。二次空氣從壓氣機引入，經過渦輪盤腔 ，最終從渦輪葉片尾緣排出。渦輪盤腔內的流動狀態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的流動對于優化冷卻方案和提高渦輪盤壽命至關重要。
 

　　傳統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展 ，數值模擬成為研究渦輪盤腔流動的有力工具。直接數值模擬(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 ，全局線性穩定性分析在轉捩預測方面顯示出獨特優勢 ，通過求解linearized Navier-Stokes方程的特征值問題 ，可以獲得流動的不穩定特征和轉捩機制。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合了直接數值模擬和全局線性穩定性分析，深入探討了渦輪轉靜系盤腔流動的失穩轉捩機理。研究發現 ，在雷諾數較低時，盤腔內的流動主要表現為層流，隨著雷諾數增加 ，流動開始出現不穩定性，并最終發展為局部湍流。進一步的穩定性分析表明 ，無粘不穩定性(Inviscid instability)和粘性不穩定性(Viscous instability)的非線性相互作用是導致湍流觸發的主要物理機制。這一發現有助于理解渦輪盤腔內湍流的產生過程 ，為湍流模型的發展和流動控制策略的制定提供了理論基礎。研究發現，轉靜系盤腔中全局失穩臨界雷諾數Rec=51748，對應的失穩周向波數β=32 ，其特征是邊界層內的無粘不穩定性導致的螺旋波形態的擾動波，其徑向波長約為20個粘性尺度，見圖1。
 

　　失穩螺旋模態的演化過程可分為三個階段，首先是線性階段，失穩螺旋模態能量不斷增長；當到達非線性階段時，失穩螺旋模態以負群速度向上游高雷諾數區域推進；最終階段非線性飽和，其導致的基本流修正誘發了粘性圓波模態，粘性圓波模態與無粘失穩螺旋模態共存，見圖2。
 

　　在更高的雷諾數區域，第三階段中粘性圓波模態與無粘螺旋模態非線性相互作用導致高波數模態能量出現陡增，最終觸發轉靜系盤腔內局部湍流。圖3為模態能量的變化，圖4為瞬時渦量可視化結果。
 

　　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。相關研究成果以“Onset of turbulence in rotor–stator cavity flows”為題發表在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)失穩中性曲線，(b)臨界雷諾數，(c)失穩模態特征
 

圖2：(a)子午面擾動速度分布，(b)面擾動速度分布
 

圖3：模態能量隨時間的變化
 

圖4：轉靜系盤腔內局部湍流的渦量可視化