以带试验结果的NASA单级跨音涡轮为研究对象,对NUMECA商业软件中的四种湍流模型在相同条件下进行三维、定常数值模拟,并与相应的试验结果对比,分析各湍流模型对涡轮数值模拟结果的影响.模拟结果表明:一方程的Spalart-Allmaras模型计算稳定性和解的精度都相对较高,两方程的两个模型对于算例类涡轮数值模拟精度较差.

通过研究粘性非定常可压流的能量方程，讨论了单级和多级环境下在叶轮机转静叶片中和叶排间容腔中焓的变化和守恒条件。结论表明在旋转坐标系中涉及非定常流设计的压力扰动，或粘性应力对相对流动中的流体做功等因素时，转子叶片槽道中相对流动的转焓会发生变化，由于转静叶排叶排干涉造成的压力扰动和尾迹输送等因素使静叶槽道中的总焓也不守恒，而且，转静叶排之间的容腔中，由于流动的非定常性和剧烈的掺混，总焓也是变化的。

本文对叶型优化在非定型流动条件下的效果进行数值研究。叶型优化基于比较成熟的在定常流动条件下的反问题解法，非定常流动则考虑到动静叶栅之间的相互作用，非定常流动的求解在N-S方程的基础上采用分区计算的方法来完成。数值计算的结果表明，定常流动条件下优化得到的叶型非定常流动条件下同样具有较好的气动性能。

采用实验与数值模拟相结合的手段,从涡动力学的角度阐述了弯叶片降低能量损失的机理.研究了在不同攻角、不同出口马赫数、不同弯角条件下涡轮叶栅流场内主要旋涡的生成与发展;并通过与直叶栅的对比,研究了叶片弯曲对马蹄涡起始分离点位置及对通道涡位置强度的影响,从截面涡结构入手,分析了叶片弯曲这种边界条件的改变方式对通道涡稳定性的影响;通过分析在不同气动条件下通道涡对损失贡献的差异指出了在通道涡强度与尺度较大的叶栅,叶片弯曲不但会直接通过改变通道涡的强度,减少通道涡本身的损失来影响损失的大小,同时也会通过对通道涡位置的改变来影响损失的分布与大小.

本文对涡轮中激波/叶排干扰进行了初步研究.结果表明,关于激波/叶排干扰的认识是无导叶对转涡轮研制的重要理论基础.此外,激波/叶排干扰是存在该现象的涡轮所受高周交变力的主要原因,要解决这类涡轮的高周疲劳问题(HCF)必须深入研究激波/叶排干扰.

简要介绍了叶轮机内非定常流对叶轮机性能的重要影响,总结了叶轮机内动静相干和叶片振动诱发的非定常流的时空周期性特点,并指出这些时空周期性特点可以加以利用,发展分析这些非定常流的高效降阶数值计算方法。本文根据不同数值降阶方法的特点对其进行了归类,详细分析了各自的优缺点及在气动弹性力学领域的应用,并进一步展望了降阶数值方法在未来的几个关键技术及发展趋势。