尾跡對(duì)低壓渦輪吸力面附面層流動(dòng)的影響

曹惠玲，吳興爽，譚天榮，宋立旗，劉福林

（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

0 引言

低壓渦輪（Low Pressure Turbine，LPT）的級(jí)數(shù)和葉片較多，是影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率和質(zhì)量的重要部件之一。采用高負(fù)荷LPT葉片設(shè)計(jì)可有效地減少葉片數(shù)量，研究并理解LPT內(nèi)部流動(dòng)特性及其機(jī)理有助于LPT設(shè)計(jì)。Curits等[1]發(fā)現(xiàn)吸力面產(chǎn)生的氣動(dòng)損失占葉型損失的60%；Mayle[2]發(fā)現(xiàn)LPT在低雷諾數(shù)下工作時(shí)，其吸力面附面層可能會(huì)發(fā)生分離，造成嚴(yán)重的氣動(dòng)損失使發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低。此外，在LPT工作時(shí)，上游葉片產(chǎn)生周期性非定常尾跡將影響下游葉片的附面層流動(dòng)。

一方面，大量學(xué)者針對(duì)低雷諾數(shù)下的低壓渦輪非定常流動(dòng)進(jìn)行了研究。Kaszeta等[3]研究了尾跡對(duì)低壓渦輪葉柵轉(zhuǎn)捩和分離的影響，指出尾跡產(chǎn)生的湍流使湍流水平總體上升；Zhang等[4]結(jié)合雷諾數(shù)和湍流度研究了非定常尾跡對(duì)超高負(fù)荷低壓渦輪附面層的影響，并指出在低湍流低雷諾數(shù)下，尾跡與分離附面層的相互作用主要是由尾跡負(fù)射流誘導(dǎo)的卷起渦引起的；Wolff等[5]使用熱線研究了超高負(fù)荷低壓渦輪葉片的非定常尾跡誘導(dǎo)附面層發(fā)展特性，并指出非定常尾跡在低雷諾數(shù)下對(duì)分離泡的抑制有助于減小葉型損失。

另一方面，學(xué)術(shù)界對(duì)于附面層內(nèi)部流動(dòng)特性與轉(zhuǎn)捩機(jī)理的研究也較為深入。Jacobs等[6]發(fā)現(xiàn)Klebanoff條紋因葉片前緣的“剪切遮蔽”效應(yīng)產(chǎn)生；Liu等[7]發(fā)現(xiàn)自由流湍流會(huì)在附面層內(nèi)誘導(dǎo)出弱Klebanoff條紋；Coull[8]發(fā)現(xiàn)尾跡放大Klebanoff條紋的前緣、最強(qiáng)條紋、尾緣分別以88%、70%、50%的主流速度向下游運(yùn)動(dòng)；Wissink等[9]在尾跡掃掠分離剪切層時(shí)，觀測到因開爾文-亥姆霍茲（Kelvin-Helmholtz，KH）不穩(wěn)定性誘導(dǎo)形成了全展向卷起渦結(jié)構(gòu)；McAuliffe等[10]發(fā)現(xiàn)Klebanoff條紋會(huì)扭曲分離剪切層，并抑制全展向KH卷起渦結(jié)構(gòu)的形成。

中國針對(duì)非定常尾跡影響葉片流動(dòng)特性問題開展了大量研究。王英峰等[11]采用頻譜分析的方法進(jìn)行了上游尾跡對(duì)葉片分離的影響研究；羅華玲等[12]研究了尾跡在葉柵中的輸運(yùn)及葉片排之間的時(shí)序效應(yīng)；李虹楊等[13]應(yīng)用自行開發(fā)的CFD程序?qū)χ芷谛晕槽E作用下的渦輪葉柵附面層轉(zhuǎn)捩進(jìn)行了研究；Sun等[14-15]研究了上游尾跡對(duì)低壓渦輪葉片附面層發(fā)展的影響，并對(duì)比了采用三角棒和圓棒模擬上游尾跡對(duì)吸力面附面層流動(dòng)與轉(zhuǎn)捩的影響。但中國學(xué)者對(duì)附面層瞬態(tài)分析的研究卻較為有限。Cui等[16-17]、Sun等[18]、Nagabhushana等[19-20]雖對(duì)葉柵通道內(nèi)的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，但主要集中于LES模型在主流與端區(qū)中的應(yīng)用，對(duì)于尾跡誘導(dǎo)轉(zhuǎn)捩和自然轉(zhuǎn)捩相互轉(zhuǎn)換主導(dǎo)附面層轉(zhuǎn)捩這一過程并無完整的時(shí)空演化分析。

本文在1個(gè)完整尾跡掃掠周期內(nèi)對(duì)尾跡在葉片前緣形成的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并分析了瞬態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)吸力面附面層流動(dòng)特性與多模態(tài)轉(zhuǎn)捩的影響。

1 試驗(yàn)與數(shù)值模擬

1.1 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)研究依托低速葉柵試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，帶上游圓棒的葉柵通道模型及葉柵測試試驗(yàn)臺(tái)照片如圖1所示，葉柵和圓棒參數(shù)及來流條件見表1。葉柵試驗(yàn)臺(tái)使用運(yùn)動(dòng)圓棒模擬從上游葉片尾緣脫落的尾跡。圓棒安裝在由交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輻條尾跡發(fā)生器上，并使用光電轉(zhuǎn)速傳感器測量輻條轉(zhuǎn)速。從圖1（a）中可見，氣流出口平面到葉片尾緣的距離為Cx，圓棒到葉片前緣的距離為0.6Cx，圓棒進(jìn)口平面到圓棒的距離為0.6Cx，柵距方向上的兩邊界間的距離為1個(gè)柵距P，圓棒間距為P。使用DSA 3217壓力傳感器測量吸力面壁面靜壓，表面壓力信號(hào)使用DSA 3217壓力傳感器進(jìn)行測量。DSA 3217壓力傳感器包含16個(gè)溫度補(bǔ)償壓阻式壓力傳感器和1個(gè)氣動(dòng)校準(zhǔn)閥、內(nèi)存、16位A/D轉(zhuǎn)換器，以及1個(gè)微型處理器。微型處理器用于補(bǔ)償溫度變化，控制校準(zhǔn)閥已執(zhí)行在線零位和多點(diǎn)校準(zhǔn)，并能夠消除傳感器熱誤差，保證系統(tǒng)精度為0.05%。使用5孔探針和熱線分別測量出口動(dòng)壓與近壁面速度。

圖1 帶上游圓棒的葉柵通道模型及葉柵測試試驗(yàn)臺(tái)

表1 葉柵和圓棒參數(shù)及來流條件

本文選取較低的雷諾數(shù)Re=50000和較低的自由來流湍流度Fsti=1.5%作為來流條件，根據(jù)真實(shí)LPT工況選擇流量系數(shù)Ф=1，折合頻率Fr=1.128。

流量系數(shù)定義為

式中：Ux為軸向速度；Ub為尾跡發(fā)生器移動(dòng)速度。

折合頻率定義為

式中：Cx為軸向弦長；P為柵距。

1.2 數(shù)值模擬

本文使用商用CFD軟件對(duì)流動(dòng)進(jìn)行仿真，采用LES湍流模型耦合Smagorinsky亞格子模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過試驗(yàn)校核?？臻g離散項(xiàng)設(shè)置為中心差分，時(shí)間離散項(xiàng)設(shè)置為2階精度向后歐拉積分。同時(shí)為彌補(bǔ)Smagorinsky亞格子模型帶來的近壁面渦黏度過大的問題，采用Van-Driest壁面函數(shù)[21]進(jìn)行修正，并將Smagorinsky系數(shù)設(shè)為0.1。Funazaki[22]指出，對(duì)于高質(zhì)量、網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)多的計(jì)算網(wǎng)格，基于LES模型耦合Smagorinsky亞格子模型的數(shù)值仿真能夠準(zhǔn)確地模擬吸力面附面層特性。

Packb網(wǎng)格拓?fù)浜陀?jì)算域如圖2所示。Wu等[23]的研究表明計(jì)算域展向?qū)挾炔粦?yīng)影響展向或流向的渦結(jié)構(gòu)發(fā)展。為保證能夠捕捉詳細(xì)的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，本文仿真的計(jì)算域展向?qū)挾榷?.18Cx。環(huán)繞葉片近壁面區(qū)域1周為“O”型拓?fù)洌渫鈬鷧^(qū)域?yàn)椤癏”型拓?fù)?。?jì)算域網(wǎng)格在x方向上有560個(gè)節(jié)點(diǎn)，y方向上有225個(gè)節(jié)點(diǎn)，z方向上有51個(gè)節(jié)點(diǎn)，x-y平面上環(huán)繞葉片近壁面1周的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為770。同時(shí)葉片壁面法向上第1層網(wǎng)格最大高度設(shè)置為0.003 mm，約為柵距的4.5×10-5倍，以保證在該雷諾數(shù)下y+＜1。為捕捉附面層的發(fā)展，在葉片壁面法向上12%的柵距長度內(nèi)，設(shè)置了100個(gè)節(jié)點(diǎn)，并保證x+、y+小于40。在葉片計(jì)算域內(nèi)約有700萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，在尾跡發(fā)生器計(jì)算域內(nèi)則有約80萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)計(jì)算域約有800萬節(jié)點(diǎn)。

圖2 Packb網(wǎng)格拓?fù)浜陀?jì)算域

時(shí)間步長約為Δt=0.0256 ms，Courant數(shù)（UinΔt/Δxmin）約為0.176（Uin為進(jìn)口速度，Δxmin為網(wǎng)格在x方向的最小長度）。每個(gè)尾跡掃掠周期T=2000Δt。為保證數(shù)值模擬的穩(wěn)定性，采用收斂的雷諾平均（Reynolds Average Navier Stokes，RANS）結(jié)果作為初場，再采用SST-SAS模型計(jì)算1個(gè)尾跡掃掠周期，最后采用LES模型耦合Smagorinsky亞格子模型計(jì)算10個(gè)尾跡掃掠周期。統(tǒng)計(jì)時(shí)均結(jié)果時(shí)，排除第1周期，對(duì)剩余的9個(gè)周期每隔3個(gè)周期進(jìn)行鎖相平均。使用1臺(tái)10核20線程的工作站進(jìn)行計(jì)算，每個(gè)工況耗時(shí)25天。

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文吸力面時(shí)均靜壓系數(shù)Cp的定義為

式中：Pt,in為進(jìn)口總壓；Ps為當(dāng)?shù)仂o壓；ρ為密度；Uout

吸力面時(shí)均靜壓系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如圖3所示，其中吸力面流向位置s通過吸力面弧長S0進(jìn)行無量綱化。

圖3 吸力面時(shí)均靜壓系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

從圖中可見，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在速度峰值點(diǎn)、“平臺(tái)”起始點(diǎn)、“平臺(tái)”結(jié)束點(diǎn)和壓力恢復(fù)點(diǎn)等位置基本吻合。同時(shí)用黑點(diǎn)和數(shù)字分別將數(shù)值模擬結(jié)果的時(shí)均分離起始點(diǎn)、時(shí)均轉(zhuǎn)捩點(diǎn)和時(shí)均再附點(diǎn)標(biāo)出。一般認(rèn)為，在形狀因子H12＞3.5時(shí)附面層發(fā)生分離[24]，在間歇因子＞0.25時(shí)開始發(fā)生轉(zhuǎn)捩。通過計(jì)算各時(shí)刻的形狀因子和間歇因子并進(jìn)行時(shí)均處理，得到時(shí)均分離起始點(diǎn)1位于60%S0，時(shí)均轉(zhuǎn)捩點(diǎn)2位于70%S0，時(shí)均再附點(diǎn)3位于78%S0。其中間歇因子采用Solomon等[25]給出的方法計(jì)算。

Mayle[2]認(rèn)為LPT中的轉(zhuǎn)捩類型主要有旁路轉(zhuǎn)捩和分離流轉(zhuǎn)捩，分離流轉(zhuǎn)捩可能觀察不到T-S波的存在，但KH不穩(wěn)定性在這2種轉(zhuǎn)捩類型中均起到了重要的作用。T-S波通常出現(xiàn)在轉(zhuǎn)捩過程的初期，是最先出現(xiàn)在層流流動(dòng)中的不穩(wěn)定性表現(xiàn)形式，Walker[26]建立了T-S波頻率fTS和附面層參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)公式，并將fTS定義為

式中：Ue為附面層邊緣速度；δ*為T-S波第1次出現(xiàn)在層流附面層內(nèi)時(shí)對(duì)應(yīng)位置的位移厚度；ν為動(dòng)力黏度。

經(jīng)計(jì)算，在Re=50000工況下，fTS≈220 Hz。根據(jù)Hughes等[27]的研究結(jié)果，式（4）計(jì)算的fTS為最大的放大率，在試驗(yàn)中還能觀測到更低的T-S波頻率。Graveline等[28]計(jì)算的T-S波頻率與試驗(yàn)觀測也存在一定誤差，但仍處于同一量級(jí)。

Volino[29]建立了KH不穩(wěn)定性主導(dǎo)頻率的經(jīng)驗(yàn)公式，并將其定義為

式中：δs為自由剪切層厚度；k為系數(shù)，Volino[29]認(rèn)為k≈1.0。

經(jīng)計(jì)算，本文fKH≈2800 Hz。Graveline等[28]認(rèn)為頻譜圖中的峰值與渦掃過熱線探頭有關(guān)，當(dāng)渦結(jié)構(gòu)通過熱線時(shí)會(huì)在頻譜圖上留下1個(gè)頻率范圍較寬的峰值，并認(rèn)為該峰值是由KH不穩(wěn)定性造成的。Tennekes等[30]指出渦的頻率約為0.6f~1.6f，其中f與渦通過的頻率有關(guān)。因此表征KH不穩(wěn)定性的fKH不僅隨流向位置的變化而變化，反映到頻譜圖中還應(yīng)當(dāng)是1個(gè)范圍值。

此外，已有不少研究在理想試驗(yàn)條件[31-32]和CFD結(jié)果[33]中觀測到KH渦在向下游運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)發(fā)生渦配對(duì)（vortices pair-up）現(xiàn)象，意味著在渦向下游運(yùn)動(dòng)的同時(shí)fKH會(huì)減半。

本文還使用熱線對(duì)吸力面表面的速度進(jìn)行測量，并對(duì)無量綱流向速度擾動(dòng)量的平方進(jìn)行頻譜分析得到能譜函數(shù)E1(f)，其中為流向擾動(dòng)速度，Umain為主流速度，f為頻率。吸力面壁面速度頻譜試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如圖4所示。對(duì)吸力面壁面50%S0（層流）、70%S0（轉(zhuǎn)捩過程中）、80%S0（完全湍流）位置處的頻譜進(jìn)行對(duì)比，并用黑色圓圈圈出尾跡掃掠擾動(dòng)（wake passing）、fTS和fKH。

圖4 吸力面壁面速度頻譜試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

從圖4（a）中可見，約在125 Hz時(shí)出現(xiàn)的第1個(gè)明顯的波峰是由尾跡掃掠造成的，其對(duì)應(yīng)的頻率與尾跡掃掠的頻率基本符合；在170~190 Hz時(shí)出現(xiàn)了第2個(gè)明顯的波峰，這與本文計(jì)算的fTS≈220 Hz處于同一量級(jí)，因此可以認(rèn)為第2個(gè)波峰是由T-S波造成的。在2400~3600 Hz內(nèi)可觀測到較為明顯的寬峰，根據(jù)Graveline等[28]和Tennekes等[30]的研究可知該寬峰是由KH不穩(wěn)定性引起的，同時(shí)在80%S0頻譜圖1000~1500 Hz內(nèi)可觀測到另1個(gè)寬峰，這是由KH渦向下游運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生的渦配對(duì)現(xiàn)象引起的頻率減半。此外，在80%S0時(shí)處于完全湍流狀態(tài)的頻譜線在103＜f＜104內(nèi)的衰減規(guī)律符合-5/3原則。

對(duì)比圖4（a）、（b）可知，試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的尾跡掃掠、fTS、fKH的頻率基本吻合，在80%S0時(shí)頻譜在103＜f＜104內(nèi)衰減規(guī)律均符合-5/3原則，因此認(rèn)為數(shù)值仿真能夠準(zhǔn)確地模擬吸力面附面層流動(dòng)特性。

2 結(jié)果分析

主要對(duì)上游尾跡與吸力面附面層相互作用以及多種類型轉(zhuǎn)捩的瞬態(tài)流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。在1個(gè)尾跡掃掠周期內(nèi)葉柵通道的瞬態(tài)流動(dòng)細(xì)節(jié)如圖5所示。圖中葉柵通道截面使用湍動(dòng)能（Turbulence Kinetic Energy，TKE）云圖標(biāo)注尾跡與附面層展向卷起渦，并用紅線標(biāo)出了近壁面速度流線。為觀測尾跡與附面層的作用以及附面層內(nèi)部的瞬態(tài)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，使用距離葉片吸力面的半附面層高度作為觀測面，在20張瞬態(tài)流動(dòng)圖中給出了觀測面上的湍動(dòng)能TKE、無量綱壁面法向渦量wy*和無量綱壁面法向速度uy*。根據(jù)Coull[8]的研究可知，一定強(qiáng)度的wy*和uy

*能夠反映出附面層內(nèi)Klebanoff條紋和KH結(jié)構(gòu)。其中wy*越大，速度虧損越大，Klebanoff條紋的強(qiáng)度也越強(qiáng)。根據(jù)Jeong等[34]的研究可知，可以使用速度梯度張量特征方程的第2個(gè)不變量Q來標(biāo)識(shí)渦結(jié)構(gòu)，Q=0.5(||Ω2||-||S2||)，其中S為剪切應(yīng)變率，Ω為渦量。當(dāng)Q＞0時(shí)，存在渦結(jié)構(gòu)。因此在圖5（a）左下角使用Q等值面（Q=1.5×107）標(biāo)出了65%S0~100%S0的近壁面渦結(jié)構(gòu)和半附面層高度觀測面的wy*云圖。在圖5中還使用紅色實(shí)線和字母標(biāo)記出了尾跡前緣線L、尾跡中心線A、尾跡尾緣線T、尾跡誘導(dǎo)轉(zhuǎn)捩區(qū)尾緣線B和抑制區(qū)尾緣線C的位置。這些位置線通過計(jì)算各流向位置附面層邊緣速度擾動(dòng)在時(shí)間上的分布，并根據(jù)速度擾動(dòng)波峰波谷來確定。尾跡與附面層作用將誘導(dǎo)附面層發(fā)生轉(zhuǎn)捩形成湍斑，在向下游運(yùn)動(dòng)和生長的過程中，湍斑后部會(huì)形成1個(gè)抑制區(qū)，湍斑尾緣和抑制區(qū)尾緣分別以50%和33%的主流速度向下游運(yùn)動(dòng)。一般認(rèn)為當(dāng)間歇因子大于0.25時(shí)，轉(zhuǎn)捩開始發(fā)生。本文采用Solomon等[25]給出的方法計(jì)算間歇因子。

圖5 在1個(gè)尾跡掃掠周期內(nèi)葉柵通道的瞬態(tài)流動(dòng)

從圖5（a）中可見，在0.05T時(shí)，上一條尾跡已經(jīng)離開葉柵通道，其誘導(dǎo)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)捩區(qū)尾緣線B和抑制區(qū)尾緣線C尚未離開觀測面，表明上一條尾跡產(chǎn)生的尾跡誘導(dǎo)湍流區(qū)和抑制區(qū)在葉片尾緣與附面層發(fā)生相互作用；在70%S0~75%S0附近有強(qiáng)度較弱的流向結(jié)構(gòu)（黑色橢圓圈出），從左下角的渦結(jié)構(gòu)示意圖中可見相似的流向結(jié)構(gòu)（黑色橢圓圈出），二者可以對(duì)應(yīng)，表明上一條尾跡產(chǎn)生的尾跡放大Klebanoff條紋仍與葉片尾緣附近的附面層發(fā)生相互作用；同時(shí)，在該時(shí)刻下一條尾跡W1尚未與吸力面接觸，處于尾跡通過的間歇期，因此無法在葉片前部觀測到明顯的流向條紋結(jié)構(gòu)；在C線上游、L線下游的65%S0~75%S0區(qū)域內(nèi)有渦卷起現(xiàn)象（箭頭標(biāo)出），以及渦卷起造成的觀測面的湍動(dòng)能增大。此時(shí)處于尾跡掃掠的間歇期，同時(shí)上一條尾跡產(chǎn)生的抑制區(qū)尾緣線C正在離開時(shí)均分離區(qū)域，表明吸力面附面層轉(zhuǎn)捩模式正在由尾跡誘導(dǎo)轉(zhuǎn)捩向自然轉(zhuǎn)捩轉(zhuǎn)變。

從圖5（b）中可見，在0.10T時(shí)，尾跡W1尚未與吸力面接觸，依然無法在葉片中部觀測到明顯的Klebanoff條紋，從流線和左下角的渦結(jié)構(gòu)示意圖中可見渦卷起并向下游運(yùn)動(dòng)，造成觀測面上湍動(dòng)能TKE增大。此時(shí)處于尾跡掃掠的間歇期，同時(shí)抑制區(qū)尾緣線C已離開時(shí)均分離區(qū)域，吸力面附面層的轉(zhuǎn)捩模式為自然轉(zhuǎn)捩。

從圖5（c）、（d）中可見，在0.15T~0.20T時(shí)，隨著尾跡向下游運(yùn)動(dòng)，在尾跡中心線A附近觀測到流向條紋結(jié)構(gòu)（黑色橢圓圈出），這是由于尾跡擾動(dòng)在滲透入吸力面前緣的附面層時(shí)，因“剪切遮蔽”效應(yīng)形成尾跡放大Klebanoff條紋，尾跡放大條紋區(qū)前緣和尾緣分別以88%和50%的主流速度向下游運(yùn)動(dòng)，其中最強(qiáng)條紋以70%的主流速度向下游運(yùn)動(dòng)，因此條紋將始終落后于尾跡前緣線L。

從圖5（e）中可見，在0.25T時(shí)，尾跡W1開始與吸力面附面層接觸并發(fā)生相互作用，尾跡前緣線L抵達(dá)70%S0，并進(jìn)入分離剪切層中，尾跡擾動(dòng)開始滲透進(jìn)入分離剪切層并觸發(fā)KH不穩(wěn)定性，展向的KH渦不斷地沿分離泡邊緣形成、脫落并向下游運(yùn)動(dòng)；從近壁面流線和左下角的渦結(jié)構(gòu)示意圖中可見65%S0~70%S0區(qū)域內(nèi)有全展向KH結(jié)構(gòu)（Full Span K-H Structure）（箭頭標(biāo)出，標(biāo)記為1），該KH結(jié)構(gòu)以37%的主流速度向下游運(yùn)動(dòng)并抬起，此時(shí)無法在觀測面uy*云圖上觀測到展向結(jié)構(gòu)，這是由于該展向結(jié)構(gòu)尚未抵達(dá)半附面層高度。

從圖5（f）中可見，在0.30T時(shí)，標(biāo)記為1的全展向KH結(jié)構(gòu)在向下游運(yùn)動(dòng)的同時(shí)不斷抬起，并抵達(dá)半附面層高度，因此在觀測面uy*云圖72%S0附近可觀測到類似的展向結(jié)構(gòu)（黑色橢圓標(biāo)出）。

從圖5（g）中可見，在0.35T時(shí)，左下角渦結(jié)構(gòu)示意圖標(biāo)記為2的全展向KH渦緊隨全展向KH渦1于71%S0附近形成，并向下游運(yùn)動(dòng)，在uy*云圖的對(duì)應(yīng)位置可見完整的全展向KH結(jié)構(gòu)；同時(shí)，從觀測面的wy*云圖中可見，尾跡放大Klebanoff條紋的發(fā)展呈現(xiàn)出楔形的展向不對(duì)稱性，這一楔形分布與觀測面的湍動(dòng)能分布形態(tài)吻合，與Nagabhushana[19]所觀測到的條紋展向不對(duì)稱性相似；從觀測面的wy*云圖中還可見，尾跡放大Klebanoff條紋最前緣抵達(dá)65%S0，尚未與位于71%S0的KH結(jié)構(gòu)接觸，因此可以觀測到較為完整的全展向KH結(jié)構(gòu)1、2。

從圖5（h）中可見，在0.40T時(shí)，尾跡放大Klebanoff條紋與全展向KH結(jié)構(gòu)接觸，同時(shí)從觀測面的uy*云圖和渦結(jié)構(gòu)示意圖中可見全展向KH結(jié)構(gòu)1、2開始發(fā)生扭曲，表明KH結(jié)構(gòu)在尾跡放大Klebanoff條紋的作用下開始崩潰。

從圖5（i）中可見，在0.45T時(shí)，楔形分布的尾跡放大Klebanoff條紋與全展向KH結(jié)構(gòu)1、2接觸，Klebanoff條紋會(huì)先沖擊全展向KH結(jié)構(gòu)的一側(cè)，并使全展向KH結(jié)構(gòu)的一側(cè)發(fā)生劇烈扭曲（圓圈標(biāo)出）。

從圖5（j）、（k）中可見，在0.50T~0.55T時(shí)，已觀測不到全展向KH結(jié)構(gòu)，但能在觀測面uy*云圖的73%S0~82%S0區(qū)域內(nèi)觀測到局部KH結(jié)構(gòu)（Part Span K-H Structure）（黑色方框標(biāo)出），這是由于尾跡放大Klebanoff條紋沖擊全展向KH結(jié)構(gòu)，使全展向KH結(jié)構(gòu)破碎為局部KH結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)象可在觀測面的wy*云圖和uy*云圖中觀測到；此外，從近壁面流線和渦結(jié)構(gòu)示意圖中已觀測不到新的卷起渦生成，表明在尾跡的作用下分離泡被完全抑制。

從圖5（l）中可見，在0.60T時(shí)，隨著尾跡放大，Klebanoff條紋不斷向下游運(yùn)動(dòng)并破壞KH結(jié)構(gòu)，從渦結(jié)構(gòu)示意圖和uy*云圖中已看不到明顯的局部KH結(jié)構(gòu)；同時(shí)，從wy*云圖中可見尾跡放大Klebanoff條紋強(qiáng)度的衰減，這是由于尾跡不斷向下游運(yùn)動(dòng)，最終不再與葉片前緣發(fā)生作用造成的，而已有條紋繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng)、拉伸，強(qiáng)度不斷衰減。

從圖5（m）中可見，在0.65T時(shí)，受尾跡放大Klebanoff條紋影響，已無法觀測到明顯的KH結(jié)構(gòu)；同時(shí)，尾跡誘導(dǎo)吸力面附面層發(fā)生尾跡誘導(dǎo)轉(zhuǎn)捩，在T線與B線之間形成尾跡誘導(dǎo)湍流區(qū)，在B線和C線之間則形成抑制區(qū)，湍流區(qū)和抑制區(qū)能夠有效地抑制分離，因此無法通過近壁面流線觀測到渦卷起現(xiàn)象。

從圖5（n）中可見，在0.70T時(shí)，隨著尾跡進(jìn)一步向下游運(yùn)動(dòng)，尾跡尾緣線T抵達(dá)78%S0，通過近壁面流線觀測到1個(gè)較小的渦在70%S0附近卷起，分離泡開始重新生成，因此出現(xiàn)較弱的由于分離的形成而造成的渦卷起現(xiàn)象；此外，在渦結(jié)構(gòu)示意圖中的C線下游約75%S0處觀測到了Λ渦3的形成，并用箭頭標(biāo)出了Λ渦的2條“腿”，根據(jù)Durbin等[35]的研究可知，Λ渦是T-S波和Klebanoff條紋共同作用的結(jié)果，由于抑制區(qū)內(nèi)的T-S波擾動(dòng)較小，因此無法在B線和C線之間的抑制區(qū)內(nèi)觀測到明顯的Λ渦結(jié)構(gòu)。

從圖5（n）、（o）左下角的渦結(jié)構(gòu)示意圖中可見，在0.70T~0.75T時(shí)，Λ渦3拉伸并最終破裂為湍流。

從圖5（p）中可見，在0.80T時(shí)，新的Λ渦4在75%S0附近生成；由于尾跡放大Klebanoff條紋在葉片中后部強(qiáng)度衰減，渦的強(qiáng)度變?nèi)?，?條“腿”的不對(duì)稱性更為明顯；同時(shí)，隨著尾跡向下游運(yùn)動(dòng)，抑制區(qū)前緣線B不斷往下游運(yùn)動(dòng)，Λ渦的強(qiáng)度將會(huì)變得更弱甚至被抑制。

從圖5（q）、（r）中可見，在0.85T~0.90T時(shí)，尾跡放大Klebanoff條紋繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng)，其強(qiáng)度不斷衰減；Λ渦4在向下游運(yùn)動(dòng)的過程中強(qiáng)度不斷減弱，2條“腿”的不對(duì)稱性更為明顯；同時(shí)，抑制區(qū)前緣線B和抑制區(qū)尾緣線C分別以50%和33%的主流速度向下游運(yùn)動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，抑制區(qū)在向下游運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，其所占面積也會(huì)增大，一方面抑制區(qū)會(huì)抑制渦，已無法在渦結(jié)構(gòu)示意圖中觀測到新Λ渦的生成，另一方面分離泡會(huì)在抑制區(qū)后重新生成，并能通過抑制區(qū)尾緣線C上游的近壁面流線觀測到渦卷起現(xiàn)象不斷增強(qiáng)，分離泡尺寸也在不斷變大；此時(shí)尾跡W1即將離開葉柵通道，附面層轉(zhuǎn)捩模式由尾跡誘導(dǎo)轉(zhuǎn)捩向自然轉(zhuǎn)捩過渡。

從圖5（r）、（s）、（t）中可見，在0.90T~1.00T時(shí)，隨著尾跡向下游運(yùn)動(dòng)并最終離開葉柵通道，尾跡放大Klebanoff條紋在向下游運(yùn)動(dòng)的過程中，其在葉片中后部的強(qiáng)度不斷衰減；受抑制區(qū)影響，Λ渦在向下游運(yùn)動(dòng)的過程中強(qiáng)度也不斷減弱；同時(shí)，下一條尾跡尚未與吸力面附面層接觸，既不會(huì)在葉片前部形成尾跡放大Klebanoff條紋，也不會(huì)觸發(fā)分離剪切層的全展向KH卷起渦，無法從wy*云圖中觀測到明顯的流向結(jié)構(gòu)，但能通過流線觀測到分離泡以及不斷增強(qiáng)的渦卷起現(xiàn)象，并導(dǎo)致觀測面TKE增大。

3 結(jié)論

（1）在2條尾跡掃掠之間，上一條尾跡剛剛離開葉片尾緣，其尾跡誘導(dǎo)的湍流區(qū)和抑制區(qū)仍在影響葉片尾緣附面層的發(fā)展，同時(shí)下一條尾跡尚未與吸力面接觸，此時(shí)附面層轉(zhuǎn)捩模式由尾跡誘導(dǎo)轉(zhuǎn)捩向自然轉(zhuǎn)捩轉(zhuǎn)變，分離泡在抑制區(qū)上游重新生成。

（2）下一條尾跡在葉片前緣與吸力面接觸，產(chǎn)生尾跡放大Klebanoff條紋，其前緣以88%的主流速度向下游運(yùn)動(dòng)，隨后尾跡接觸附面層并與分離泡相互作用，觸發(fā)剪切層的KH不穩(wěn)定性形成全展向KH卷起渦，并抑制分離泡。尾跡放大Klebanoff條紋將追趕并沖擊全展向KH卷起渦，使其崩潰為局部KH渦并最終破裂形成Λ渦和全湍流。