为了分析跨音速转子叶尖间隙高度对转子叶尖流场的影响,以某轴流压气机跨音级为研究对象,采用全三维数值模拟方法,探讨了设计点和近失速工况下叶尖泄漏涡与激波的相互作用现象及不同的间隙条件下叶尖泄漏涡的演化、发展规律。计算结果表明,与设计点相比,近失速工况下间隙泄漏涡在流场中的位置及其与叶片弦长的夹角基本不变,但其对激波的影响更大。此外,随着叶尖间隙的增大,叶尖泄漏涡的强度、尺寸和影响范围也会逐渐增加,降低叶片的扩压能力。

根据叶顶间隙流对叶轮机械的性能有重要影响这一特性，设计了一种叶片。该叶片顶部带有“燕尾冠”，在叶顶的压力侧和吸力侧都形成“倒钩”。通过对带有“燕尾冠”的叶片和一般的叶片的流场进行数值模拟，在同等条件下比较两者之间压气机的总体性能、流场特性以及叶顶间隙的泄漏量的区别，得到优化设计后的“燕尾冠”叶片能较好的保持住叶片表面的压力，削弱了叶顶间隙泄漏涡的产生和减少了通过叶顶间隙的泄漏量。数据结论为改进和提高叶轮机械的运转性能提供参考依据。

将粒子图像测速技术(PIV,ParticleImageVelocimeter)应用到低速轴流通风机实验台上,在设计工况下对轴流通风机转子叶顶区域的瞬态速度场进行了实验测量。测量得到了三个不同周向位置下的涡量图和速度矢量图,并观测到了叶顶泄漏涡的涡旋结构。重点研究了叶顶泄漏涡位置的不稳定性和锁相平均后的叶顶泄漏涡涡心的轨迹,并将实验结果与原有模型进行了比较。结果表明叶顶泄漏涡涡心的运行轨迹与现有模型得出的估算公式的计算结果接近,基本吻合。

为了研究压气机相似模化过程中叶顶间隙对性能的影响规律,以某燃机压气机前1.5级为对象,采用数值模拟方法,研究了不同缩尺比例压气机的性能变化规律及机理。结果表明缩尺模化时若保持叶顶间隙尺寸不变,则压气机模型机性能会下降,导致换算的原型机峰值多变效率下降约1.4%~3.38%,压比下降约0.88%~3.17%;叶顶间隙对流场相似性影响主要集中在叶片顶部流道区域,造成该区域流动不满足相似条件。分析流场发现,随着缩尺模化比例增加,叶顶间隙相对泄漏流量增加,叶顶流道内低速区范围扩大,泄漏涡在径向的影响范围和强度也增加,这是导致缩尺模化后流动堵塞程度加重、性能下降的主要原因,增加缩尺模化比例还会加剧叶顶泄漏流对激波的削弱。

采取恰当的叶顶形状可以提高轴流风机性能。以某两级动叶可调轴流一次风机为对象,采用Fluent模拟了叶顶具有斜槽或阶梯状结构等5种情形下的风机性能,分析了其内流特征、压力分布和损失特征。结果表明：5种叶顶形状均可有效提高风机性能,提升效果依次为逆流向斜槽、双斜槽、上阶梯叶顶和下阶梯叶顶,而顺流向斜槽仅在小流量下提升性能明显;改进后的叶顶形状均使泄漏流场更加复杂,泄漏涡分布区域及强度明显增大,叶顶间隙内涡量值显著提高,由此降低了叶顶间隙内轴向速度和泄漏流量;其中,逆流向斜槽改善风机性能最为突出,在设计流量下,全压和效率分别提高4.68%和0.94%;考虑到当前燃煤机组低排放改造后增大的烟风阻力和风量需求,逆流向斜槽叶顶是最佳选择。

采用CFD计算软件CFX11．0，基于标准的k—ε紊流模型和SIMPLEC算法，对带间隙的轴流泵的内部流场进行了数值模拟。研究和分析丁0、1、1．5、2和2．5mm五种不同径向间隙对轴流泵的能量特性的影响，并进行了性能预估。本次数值模拟捕捉到了叶顶间隙泄漏流动和间隙泄漏涡，并通过分析得出了间隙泄漏涡是由于间隙泄漏流与主流发生卷吸而形成的。

为揭示叶顶凹槽对轴流压气机气动性能的影响和机理,本文对一试验台转子进行了全工况数值模拟,计算性能与试验结果取得很好的一致性。在此数值模型基础上对叶顶凹槽及其改进结构—叶顶篦齿进行了数值研究,研究分析表明：叶顶凹槽降低了泄漏流流量,但转子效率和失速裕度均有所下降,主要因为叶顶泄漏流在逆压梯度的作用下沿槽内向叶顶前缘方向流动,使前缘附近泄漏流反流程度增大,造成二次流损失及通道堵塞程度增大;凹槽深度是影响转子气动性能的主要因素。将叶顶凹槽分割开形成叶顶篦齿结构,在效率下降很小的情况下提高了转子的失速裕度;通过调整篦齿位置可进一步提高转子的气动性能;叶顶篦齿的应用存在特定的叶顶间隙范围。