在航空发动机与燃气轮机领域，涡轮与膨胀器性能直接影响整机效率与可靠性，因此对这些关键部件的性能进行优化是提高动力系统性能的重要途径。超声速膨胀器作为涡轮的一部分，其变工况特性对于整个系统的性能有着决定性的影响。杨凌、黄振宇等人通过数值模拟方法，研究了超声速膨胀器在不同工况下的运行特性，并揭示了运行参数（如进口总压、转速）对性能的具体影响。
研究中采用了三维雷诺平均Navier-Stokes（N-S）方程和标准k-ε湍流模型来描述流体流动。雷诺平均N-S方程是流体力学中描述黏性流体运动的基本方程组，通过时间平均的方法将湍流流动转化为可解的方程形式。而标准k-ε湍流模型则用于近似求解湍流的湍动能k和耗散率ε，以便于进行数值计算。
在数值模拟过程中，研究者发现了几个重要的现象：
1. 进口绝对总压的上升导致泄漏流量增加，这是因为在更高的压力下，流体有更大的推动力通过泄漏通道。然而，泄漏涡的强度却减弱了，涡的尺度变小。这表明虽然泄漏量增加，但是泄漏涡导致的内部损失却降低了。
2. 转速的上升则对泄漏涡有着不同的影响。转速增加意味着流体在单位时间内通过膨胀器的次数增多，这会使得节距方向速度梯度减小。同时，下端壁附近的高速区域向出口方向迁移，而上端壁附近由泄漏流体造成的低速区域影响范围则会缩小。斜激波也会向出口方向迁移并减弱其强度，从而降低了由于泄漏和近壁面低能流体所导致的损失。
3. 进口绝对总压保持不变时，转速的增加会导致膨胀器膨胀比的增大，即气体通过膨胀器时所做的功增加。同时，等熵绝热效率（衡量燃气轮机热效率的一个参数）也随之提高。然而，当进口绝对总压低于一定水平（如7倍大气压以下）时，膨胀器的膨胀比和等熵绝热效率会显著降低。进口绝对总压每降低一个大气压，膨胀比和等熵绝热效率的最大降幅分别可达4.1%和7.7%。
这些研究成果对于超声速膨胀器的设计和运行优化具有重要的指导意义。例如，设计师可以根据这些理论分析选择合适的工作参数，以确保在不同的工况下都能达到最佳的性能。同时，对于实际运行中的燃气轮机，运维人员也可以根据这些知识来调节工作参数，以适应不同的工作条件和负载变化。
从系统的角度来看，燃气轮机是由多个部件组成的一个复杂系统，各个部件的性能对整体效率有着直接的影响。涡轮作为燃气轮机的核心部件之一，其在高温、高压、高负荷以及高转速等恶劣工作条件下的流动情况非常复杂，因此对涡轮结构的优化是提升燃气轮机性能的关键。通过这些数值研究和理论分析，研究人员能够更好地理解超声速膨胀器在变工况下的动态行为，进而为提高燃气轮机效率、降低能耗提供科学依据。
