旋转盘腔是由涡轮轮盘及周围静止部件构成的大容积腔室，是发动机涡轮部件的核心热防护结构（图1）。通过引入源自压气机的高压冷气，旋转盘腔可实现轮缘封严的核心功能。因此，盘腔内部流动特性直接影响涡轮部件服役寿命，是提升航空发动机可靠性与安全性的关键基础问题之一。现有关于旋转盘腔流动的研究多聚焦于稳态分析。然而，实际发动机运行过程中广泛存在过渡态工况（如启停、加减速等工况切换过程），极易导致旋转盘腔的轮缘封严功能失效，严重威胁过渡态条件下发动机的运行安全。因此，开展过渡态条件下旋转盘腔流动演化机理研究，对于突破传统准稳态假设的局限、建立面向过渡态性能分析的新方法具有重要工程应用意义。

本研究首先以无限大转静系圆盘为研究对象，基于自相似流速分布假设，构建了包含时间导数项的层流自相似解主控方程：

采用全隐中心差分时间推进格式求解该主控方程，结果表明：过渡态工况下，盘腔流场的响应过程持续时间已不可忽略，瞬态效应对流动结构与参数演化具有实质影响。进一步地从动态演化过程关键参数的时空分布规律入手，揭示了过渡态盘腔演化表现出显著的非线性与强时变特征，边界层发展及腔内物理参数传递过程可概括为“粘性剪切-粘性扩散-核心参数匹配”三个关键主导阶段（图2）。

基于上述过渡态动力学新特性，进一步针对封闭旋转盘腔进行了高精度直接数值模拟（DNS），捕捉过渡态流场三维演化细节。结果显示，盘腔经历转速突变后，转盘侧边界层响应迅速，静盘侧存在明显响应滞后，在高半径位置出现小尺度破碎涡并向下游传播（图3），揭示了封闭旋转盘腔内部过渡态三维演化规律与典型结构特征。

综上，本研究推动了旋转盘腔分析由“准稳态理论”到“瞬态演化理论”的视角转换，验证了过渡态演化过程不能简单以准稳态假设替代，为深入理解盘腔过渡态流动机理提供了新的理论与数值依据。面向工程应用，合理评估转速突变下的响应迟滞、端壁诱发扰动与湍流增强效应，有助于提升轮盘热变形与叶顶间隙预测精度，并提升密封与冷却设计的可靠性与安全裕度。

本研究得到了国家自然科学基金卓越研究群体项目的支持，详见如下文章：

Li, Siyi and Zhu, Zihao and Xie, Lei and Xie, Yaguang and Wang, Ruonan and Du, Qiang and Zhu, Junqiang, Transient flow dynamics following impulsive rotor speed acceleration in laminar and turbulent rotor-stator cavities, Phys. Rev. Fluids，2026, 10.1103/gyvp-3j9b.

图1. 过渡态旋转盘腔间隙变化影响发动机运行效率与安全

自相似主控方程

图2. 无限大旋转盘腔转速突变流场过渡态演化过程

图3. 封闭湍流旋转盘腔过渡态流场演化过程云图