● 摘要
为达到先进技术燃气涡轮发动机的整体性能指标，需要作为其重要部件的压气机有更高的总压比、更高的效率、更少的级数和更宽的稳定工作范围，这离不开对压气机内部复杂流动机理的不断探索和更深入的认识。本论文工作就是对压气机内部流动中存在的边界层转捩以及分离湍流两个极具挑战性的问题展开建模和模拟方法研究。
对于边界层转捩流动问题，对目前工程中预测准确性较好并且应用广泛的转捩模型进行了分析，并以Menter所提出的配合SST湍流模型使用的γ-Reθt转捩模型为基础，自行发展了可用于一方程Spalart-Allmaras湍流模型的间歇因子γ方程转捩模型。在已有模拟程序的基础上，实现了可采用以上两种转捩模型的模拟能力，并通过不带/带压力梯度的平板边界层转捩流动、低速翼型绕流、压气机叶栅以及涡轮叶栅流动等四种典型转捩流动的模拟，对比验证了γ-Reθt-SST模型和新发展的γ-SA模型。结果表明，两种模型在所考察的算例中表现良好，都较准确地模拟出了边界层旁路转捩以及分离泡转捩位置、过程、以及相关流动特征。考虑到本论文所发展的γ-SA模型对近壁区计算网格密度要求相对更低，并且与γ-Reθt-SST模型相比少求解两个控制方程，所以在计算量上极具优势，有很好的工程应用前景。
针对大尺度分离湍流流动问题的模拟，采用了两种RANS/LES组合模拟方法，即尺度自适应模拟（SAS）方法以及脱体涡模拟（DES）方法，并完成了相应模拟程序的发展和验证。首先，通过各向均匀同性湍流分别标定了DES和SAS方法中模型系数的大小。其次，通过对大仰角翼型深度失速流动的模拟，对比分析了非定常RANS模拟（URANS）、SAS、以及DES的准确性及方法的特性。结果表明， SAS和DES相对URANS在大分离湍流模拟的准确性上具有巨大的优势。另外，SAS表现出一定的网格无关性，而DES则对网格分辨率依赖性很强。最后，对圆柱绕流开展了模拟研究，对比分析表明，如果采用完全湍流模拟，则圆柱绕流是发生了“阻力危机”的超临界流态，而通过结合转捩模型和SAS或DES则可实现高亚临界雷诺数层流分离流动模拟。与其它若干公开发表的模拟结果相比，本文中考虑了边界层转捩的结果更接近实验测量结果，这表明在此类边界层分离模式对流动有重大影响的模拟中考虑转捩非常重要。
在以上方法及程序的发展和验证工作的基础上，对某压气机叶栅角区失速流动采用SAS和DES方法开展了详细的数值模拟研究。首先，考察了不同网格密度以及不同数值格式对角区失速模拟结果的影响，表明仍然是DES相对于SAS对网格密度的依赖性更强，另外在密网格条件下采用基于高阶WENO插值的迎风格式能够获得与四阶中心格式相当的模拟结果。其次，以DES为例，分析比较了完全湍流模拟和考虑了叶片表面边界层转捩的模拟之间的差异。结果显示，转捩模拟中角区失速的展向尺度减小，出口截面上流动损失以及气流转角与实验结果吻合得更好。最后，对考虑了叶片表面边界层转捩的RANS、SAS和DES模拟结果进行了详细比较，对三种模拟方法在此类流动中的模拟能力进行了评估，并对角区失速流动的时均和非定常流动结构的运动学和动力学特征进行了深入分析。