亚音速涡轮机二次流动的涡旋结构识别与马鞍点演化机制研究

针对涡轮机械中二次流动导致的动能损失问题，研究人员采用RANS方程求解器和λ2准则，对RTWH Aachen轴流涡轮的导叶和转子通道进行三维流动模拟，成功可视化马蹄涡（HSV）和泄漏涡（LV）的演化过程，揭示了叶尖间隙对涡旋结构的调控机制，为涡轮设计优化提供理论支撑。

　　

涡轮机械中的二次流动现象长期制约着能源转换效率的提升。当流体流经导叶或转子叶片时，壁面边界层的相互作用会产生复杂的涡旋结构，如马蹄涡（Horseshoe Vortex, HSV）和通道涡（Passage Vortex, PV），这些结构不仅造成显著的动能损失，还可能引发流动分离和机械振动。尤其在亚音速工况下，大转角流动和高横向压力梯度使得二次流动效应更为突出。传统研究多局限于实验观测或简化模型，对涡旋演化机制特别是叶尖间隙影响的认知仍存在空白。

为攻克这一难题，研究人员采用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程结合Spalart-Allmaras湍流模型，对1.5级RTWH Aachen轴流涡轮开展三维数值模拟。通过λ₂涡识别准则，首次清晰捕捉到叶尖间隙作用下泄漏涡（Leakage Vortex, LV）与通道涡的拉伸-分裂过程，相关成果发表于《Results in Engineering》。

关键技术包括：1）基于FINE/Turbo v18.1的有限体积法求解器；2）λ₂张量特征值分析实现涡核精确定位；3）多套网格离散化不确定性评估；4）1.7%-3.7%叶尖间隙的对比设计。研究采用德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）的涡轮实验数据验证模型可靠性，网格数达286万时y⁺<1的壁面分辨率确保边界层解析精度。

6.1 导叶流道涡旋特征
导叶吸力侧角涡呈现非对称发展，轮毂侧形成单一涡核而罩壳侧出现双涡结构。λ₂等值面显示HSV压力侧支（Hp）强度高于吸力侧支（Hs），后者在形成后迅速耗散。

6.2 转子静态模拟
固定转子工况下，Hp与PV融合形成主导涡系，其强度较导叶增强37%。λ₂分布证实轮毂与罩壳侧涡结构呈现镜像对称，验证了几何对称性对流动特性的基础影响。

6.3-6.4 叶尖间隙效应
1.7%间隙使LV诱发PV的拉伸分裂，产生朝向轮毂的二次涡；3.7%间隙加剧涡系破碎，分裂涡迁移距离增加15%。对比显示叶尖间隙扩大使LV强度提升但PV稳定性下降。

6.5 整机时变分析
导叶尾迹扰动延迟转子PV形成，转子压力侧首次出现瞬态涡结构，但该结构在50%弦长处完全耗散，证实单组件模拟的可靠性。

研究结论突破性地揭示了三个机制：1）离心力破坏HSV对称性，使罩壳侧Hs提前耗散；2）LV通过涡拉伸（Vortex Stretching）诱发PV分裂，形成径向迁移的次级涡；3）叶尖泄漏流主导LV强度，其与PV相互作用区产生额外湍动能损失。该发现为主动控制叶尖泄漏流提供了靶点，通过优化间隙尺寸可降低2.8%的二次流损失。讨论部分特别指出，λ₂方法相比传统涡量模量法（Vorticity Magnitude）能更有效区分剪切流与真实涡核，这对复杂湍流场的诊断具有普适价值。