随着深空探测、先进航空航天动力系统的快速发展，对小推力液体火箭发动机的推力控制精度与结构紧凑性提出了更高要求。超声速部分进气冲动式（Supersonic Partial Admission Impulse, SPAI）涡轮凭借高推重比、结构紧凑的核心优势，成为先进航空航天推进系统的关键部件。然而，SPAI 涡轮独特的非对称进气模式与超声速流动特性，导致其内部存在多尺度激波结构与分离涡系的复杂相互作用，给气动性能的精准预测带来巨大挑战。数值模拟中，雷诺平均纳维 - 斯托克斯（RANS）模型依赖的 Boussinesq 涡粘性假设存在固有缺陷，引发湍流模型不确定性，可能导致流动预测偏差，严重影响涡轮设计的可靠性，这一问题成为制约 SPAI 涡轮性能提升的关键瓶颈。

针对 SPAI 涡轮气动预测中湍流模型不确定性量化的核心难题，研究团队博士生李童希等开展了系统性研究，相关成果以 “Aerodynamic Performance of Supersonic Partial Admission Impulse Turbine by Quantifying the Uncertainties of Turbulence Model” 为题，发表于《Aerospace Science and Technology》。研究创新性地采用非均匀雷诺应力张量扰动方法，通过六个特定扰动算例，首次对配置四喷嘴的 SPAI 涡轮进行了湍流模型不确定性量化分析，构建了关键气动参数的预测区间，为高保真涡轮设计提供了重要理论支撑与工程参考。

研究通过系统的不确定性量化与流场机理分析，发现：SPAI 涡轮关键性能参数对湍流模型不确定性响应显著，膨胀比最大预测偏差达 7.15%，等熵效率呈现 - 0.95%~3.31% 的变化区间，其中 1C_min 扰动工况下效率偏差最大，增高了3.31%；流场敏感性呈现明显的区域分化特征，转子过渡区、喷嘴进气区及尾迹区为高敏感核心区域，湍流模型扰动可导致激波诱导分离位置最大偏移弦长的 13%，直接重构流场分离结构与能量损失路径；结构设计层面，对称喷嘴布置方案因受力平衡，能使涡轮运行时的横向力与倾覆力矩降低 99% 以上，且进一步证实喷嘴间距对效率的调控作用显著主导于湍流模型不确定性带来的性能波动，为工程设计中结构优化与不确定性控制的优先级判定提供了关键依据。

本研究系统阐明了 SST 湍流模型在 SPAI 涡轮预测中的不确定性特征，明确了关键气动参数的波动范围与高敏感流动区域，揭示了湍流模型不确定性与几何结构（喷嘴布置）对涡轮性能的耦合影响机制，填补了 SPAI 涡轮湍流模型不确定性量化研究的空白。研究成果不仅为评估 RANS 模拟结果的可信度提供了量化依据，更为后续 SPAI 涡轮的高保真气动优化设计、可靠性提升奠定了坚实基础，对先进航空航天动力系统的研发具有重要工程应用价值。

不同扰动工况下的进气区转子马赫数分布

(a)                              (b)

叶片50%叶高处的载荷分布：(a) 过渡区叶片；(b) 尾迹区叶片

不同喷嘴布置方案下不同扰动工况的性能

T. X. Li, Z. H. Wang, Z. Huang, and G. Xi. Aerodynamic performance of supersonic partial admission impulse turbine by quantifying the uncertainties of turbulence model. Aerospace Science and Technology, 2026, 168: 111229.