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叶顶间隙泄漏涡空化是一种在轴流式水力机械中常见的空化形式，不但会导致水力机械性能的下降，还会显著增强结构的振动、噪声及空蚀，严重威胁水力机械及系统的安全。为此，本文以NACA0009水翼为研究对象，针对目前叶顶间隙泄漏涡空化流动中的关键科学问题，综合利用数值计算、实验观测、理论分析等研究方法，较为系统地研究了叶顶间隙泄漏涡的演化、空化流动特性及其控制方法。本文的主要研究内容及创新性成果如下：
(1)提出了一个考虑气核效应的欧拉-拉格朗日耦合空化模型。该模型利用DPM模型对水体中的不可凝结气体进行追踪，发现了在间隙涡空化流动中特有的气核富集现象，并以此获得流场中不可凝结气体的分布。在此基础上，运用气体状态方程及气体分压定理，细致考虑了涡心处不可凝结气体对旋涡空化过程的影响，对其进行了定量评估，并将该影响考虑到相间质量输运方程之中，形成了一个考虑气核效应的欧拉-拉格朗日新空化模型。结果表明，新空化模型对梢涡空化、叶顶间隙泄漏涡(Tip-Leakage Vortex, TLV)空化均能进行很好的预报，显著提高了旋涡空化的预报精度，可为今后此类流动的数值研究提供有力支持；
(2)细致分析了无空化时叶顶间隙泄漏涡流场的演变特性与流动机制。结果表明：①间隙的大小会对叶顶间隙泄漏涡在空间上的发展阶段产生显著的影响。当间隙较大时，壁面的影响较小，此时TLV整个发展阶段在空间上可以依次划分为生长阶段、融合阶段以及粘性耗散阶段；随着间隙的逐渐减小，壁面的影响逐渐显现，整个发展阶段可以划分为生长阶段、融合阶段、诱导涡耗散阶段；随着间隙的进一步减小，壁面的影响更为显著，在间隙区域就可以观察到明显的诱导涡，整个发展阶段可以划分为生长阶段、融合阶段、诱导涡耗散阶段以及摩擦耗散阶段；②TLV半径的同时受到其强度及水翼边界层厚度的影响。本文在实验及数值模拟结果的基础上，结合旋涡融合过程的特点，提出了一个新的TLV半径的预报公式。该公式在考虑边界层对旋涡半径影响的基础上，首次考虑了旋涡强度对旋涡半径的贡献，更为全面地反映了TLV半径的影响因素；③TLV的强度是影响其空化的关键因素。为此，本文直接从牛顿第二定理出发，推导建立了TLV理想强度与水翼负载在展向上变化的本质关联。在此基础上，细致分析了不同间隙大小下TLV的各个发展阶段对其强度的影响，并将其进行模化，构建了一个TLV强度的半经验性预报框架，成功对本文算例中的TLV强度进行了预报，为今后TLV强度的预报提供了重要参考；④本文还研究了TLV涡心处气核浓度的变化规律。结果表明，TLV涡心处存在明显的不可凝结气体富集现象，且其浓度与TLV的强度高度相关，TLV强度越大，涡心处的不可凝结气体浓度越大；
(3)在以上工作的基础上，本文提出了一个TLV空化的新空化数σv。传统的空化数未能考虑旋涡强度、半径以及不可凝结气体对旋涡空化的影响。为此，本文提出了一个综合考虑旋涡强度、半径以及不可凝结气体对旋涡空化影响的新空化数σv。与实验结果的对比表明，该空化数可以更为准确地反映旋涡空化的流动状态。基于该空化数，本文深入分析了3个典型间隙大小下叶顶间隙泄漏涡流动中空化过程与当地流动的相互作用机制。结果表明：①空化发生后，TLV的强度主要受片空化演变行为的影响，TLV空化对其自身强度的影响较小。一般而言，间隙越小，片空化越不稳定，TLV的强度也会呈现相应的准周期性波动。随着间隙的逐渐增大，片空化强度逐渐减小，其不稳定性也逐步减弱，TLV强度逐渐恢复至无空化时的水平，其波动也会逐渐减小；②空化对涡心处气核分布会产生较为明显的影响，其影响程度取决于空化发生后TLV在空间上的稳定性以及TLV空化的强度。TLV本身越稳定，TLV空化强度越低，空化对涡心处气核分布的影响就越小；反之，则有可能显著改变涡心处气核的浓度分布情况；③空化的发生会显著影响TLV的半径。空化发生后，TLV半径会在一定程度上增大，且在空化区域外围形成“类刚体旋转”的切向速度分布特性，其形成原因主要是空化生长引起的膨胀过程以及流动的粘性作用；④空化的发生还会显著改变当地的涡量、湍动能分布。基于涡量输运方程的分析表明，空化的生长过程是空化涡内部涡量持续减小的原因；而基于湍动能输运方程的讨论则表明，湍动能的输运项是空化涡内部高湍动能的主要原因；⑤边界层可在一定程度上削弱TLV空化的强度，边界层越厚，其对TLV空化的抑制作用越显著。该研究表明，增大边界层厚度可以削弱叶顶间隙分离涡，进而对间隙空化产生一定的抑制作用。
(4)提出了一个在较大间隙范围内均能产生理想效果的被动式TLV空化抑制装置-悬臂式沟槽空化抑制器，并阐释了其具体作用机制。结果表明，该装置较好地结合了反空化凸缘(裙边)和传统沟槽处理的优点，在较大的间隙范围内均能对叶顶间隙泄漏涡空化产生理想的抑制效果。在此基础上，本文利用试验手段，对其关键参数进行了优化设计。基于数值模拟结果，本文还进一步分析了该装置对叶顶间隙泄漏涡空化的具体抑制机制。结果表明，对于小间隙而言，该装置可显著加快TSV的耗散，削弱TLV的环量，进而抑制叶顶间隙泄漏涡空化；对于中等间隙及大间隙而言，该装置会阻碍TLV和TSV的融合过程，增大融合后TLV的半径，进而减小涡心处的压力下降，抑制叶顶间隙泄漏涡空化的发生。在各个间隙大小情况下，该装置均能有效地抑制叶顶间隙泄漏涡空化，是一种在工程实践中非常具有潜力的叶顶间隙泄漏涡空化抑制装置。
(1)提出了一个考虑气核效应的欧拉-拉格朗日耦合空化模型。该模型利用DPM模型对水体中的不可凝结气体进行追踪，发现了在间隙涡空化流动中特有的气核富集现象，并以此获得流场中不可凝结气体的分布。在此基础上，运用气体状态方程及气体分压定理，细致考虑了涡心处不可凝结气体对旋涡空化过程的影响，对其进行了定量评估，并将该影响考虑到相间质量输运方程之中，形成了一个考虑气核效应的欧拉-拉格朗日新空化模型。结果表明，新空化模型对梢涡空化、叶顶间隙泄漏涡(Tip-Leakage Vortex, TLV)空化均能进行很好的预报，显著提高了旋涡空化的预报精度，可为今后此类流动的数值研究提供有力支持；
(2)细致分析了无空化时叶顶间隙泄漏涡流场的演变特性与流动机制。结果表明：①间隙的大小会对叶顶间隙泄漏涡在空间上的发展阶段产生显著的影响。当间隙较大时，壁面的影响较小，此时TLV整个发展阶段在空间上可以依次划分为生长阶段、融合阶段以及粘性耗散阶段；随着间隙的逐渐减小，壁面的影响逐渐显现，整个发展阶段可以划分为生长阶段、融合阶段、诱导涡耗散阶段；随着间隙的进一步减小，壁面的影响更为显著，在间隙区域就可以观察到明显的诱导涡，整个发展阶段可以划分为生长阶段、融合阶段、诱导涡耗散阶段以及摩擦耗散阶段；②TLV半径的同时受到其强度及水翼边界层厚度的影响。本文在实验及数值模拟结果的基础上，结合旋涡融合过程的特点，提出了一个新的TLV半径的预报公式。该公式在考虑边界层对旋涡半径影响的基础上，首次考虑了旋涡强度对旋涡半径的贡献，更为全面地反映了TLV半径的影响因素；③TLV的强度是影响其空化的关键因素。为此，本文直接从牛顿第二定理出发，推导建立了TLV理想强度与水翼负载在展向上变化的本质关联。在此基础上，细致分析了不同间隙大小下TLV的各个发展阶段对其强度的影响，并将其进行模化，构建了一个TLV强度的半经验性预报框架，成功对本文算例中的TLV强度进行了预报，为今后TLV强度的预报提供了重要参考；④本文还研究了TLV涡心处气核浓度的变化规律。结果表明，TLV涡心处存在明显的不可凝结气体富集现象，且其浓度与TLV的强度高度相关，TLV强度越大，涡心处的不可凝结气体浓度越大；
(3)在以上工作的基础上，本文提出了一个TLV空化的新空化数σv。传统的空化数未能考虑旋涡强度、半径以及不可凝结气体对旋涡空化的影响。为此，本文提出了一个综合考虑旋涡强度、半径以及不可凝结气体对旋涡空化影响的新空化数σv。与实验结果的对比表明，该空化数可以更为准确地反映旋涡空化的流动状态。基于该空化数，本文深入分析了3个典型间隙大小下叶顶间隙泄漏涡流动中空化过程与当地流动的相互作用机制。结果表明：①空化发生后，TLV的强度主要受片空化演变行为的影响，TLV空化对其自身强度的影响较小。一般而言，间隙越小，片空化越不稳定，TLV的强度也会呈现相应的准周期性波动。随着间隙的逐渐增大，片空化强度逐渐减小，其不稳定性也逐步减弱，TLV强度逐渐恢复至无空化时的水平，其波动也会逐渐减小；②空化对涡心处气核分布会产生较为明显的影响，其影响程度取决于空化发生后TLV在空间上的稳定性以及TLV空化的强度。TLV本身越稳定，TLV空化强度越低，空化对涡心处气核分布的影响就越小；反之，则有可能显著改变涡心处气核的浓度分布情况；③空化的发生会显著影响TLV的半径。空化发生后，TLV半径会在一定程度上增大，且在空化区域外围形成“类刚体旋转”的切向速度分布特性，其形成原因主要是空化生长引起的膨胀过程以及流动的粘性作用；④空化的发生还会显著改变当地的涡量、湍动能分布。基于涡量输运方程的分析表明，空化的生长过程是空化涡内部涡量持续减小的原因；而基于湍动能输运方程的讨论则表明，湍动能的输运项是空化涡内部高湍动能的主要原因；⑤边界层可在一定程度上削弱TLV空化的强度，边界层越厚，其对TLV空化的抑制作用越显著。该研究表明，增大边界层厚度可以削弱叶顶间隙分离涡，进而对间隙空化产生一定的抑制作用。
(4)提出了一个在较大间隙范围内均能产生理想效果的被动式TLV空化抑制装置-悬臂式沟槽空化抑制器，并阐释了其具体作用机制。结果表明，该装置较好地结合了反空化凸缘(裙边)和传统沟槽处理的优点，在较大的间隙范围内均能对叶顶间隙泄漏涡空化产生理想的抑制效果。在此基础上，本文利用试验手段，对其关键参数进行了优化设计。基于数值模拟结果，本文还进一步分析了该装置对叶顶间隙泄漏涡空化的具体抑制机制。结果表明，对于小间隙而言，该装置可显著加快TSV的耗散，削弱TLV的环量，进而抑制叶顶间隙泄漏涡空化；对于中等间隙及大间隙而言，该装置会阻碍TLV和TSV的融合过程，增大融合后TLV的半径，进而减小涡心处的压力下降，抑制叶顶间隙泄漏涡空化的发生。在各个间隙大小情况下，该装置均能有效地抑制叶顶间隙泄漏涡空化，是一种在工程实践中非常具有潜力的叶顶间隙泄漏涡空化抑制装置。