大涡模拟研究球窝对低压透平叶片分离流动的控制

"该研究通过大涡模拟(LES)探讨了球窝在控制边界层分离流动中的效果，特别是在低压透平叶片吸力面上的应用。研究人员使用具有逆压梯度的平板分离流模拟来代表叶片表面的复杂流动情况，并对不同尺寸球窝（R值分别为0.378、0.994和1.453）的流动特性进行了深入分析。研究发现，较小的R值（即球窝前沿边界层厚度与球窝深度之比）表现出更好的控制性能。球窝内部的马蹄涡是影响球窝流动的关键因素，而周期性脱落的马蹄涡在球窝尾迹区形成发夹涡，这些发夹涡的涡腿紧贴壁面，形成流向涡，从而增强边界层的能量。" 这篇2010年的论文深入探讨了利用球窝（类似高尔夫球表面的小凹坑）来控制流体边界层分离的技术，特别是在航空工程中的应用，如低压透平叶片。大涡模拟是一种高级的计算流体动力学方法，它能够捕捉到湍流中的大尺度流动结构，对于理解复杂的分离流动现象非常有用。在这个研究中，研究人员设计了一个具有逆压梯度的平板分离流，以此来模拟低压透平叶片上的流动情况。 研究的主要发现包括： 1. 球窝的控制性能与其尺寸密切相关，当R值（球窝前沿边界层厚度与球窝深度之比）较小时，控制效果最佳。这意味着更小、更深的球窝能更有效地防止或延迟边界层的分离。 2. 球窝内部形成的马蹄涡在控制流动中扮演着主导角色。这些涡旋结构在球窝内部生成并影响周围流场。 3. 马蹄涡会周期性地从球窝中脱落，形成发夹涡排。这些发夹涡的涡腿紧贴壁面，形成流向涡，它们能够卷吸主流中的高能流体，从而增强边界层的能量，有助于维持流动的连续性并减少分离。 这一研究对理解边界层分离流动的控制策略以及优化航空发动机部件设计有重要的科学价值。通过改善边界层流动，可以提高透平效率，减少能耗，并可能延长设备寿命。这些发现对于未来的工程设计，尤其是涉及湍流控制的领域，提供了理论依据和实用指导。