由于氢气的易燃易爆性以及基于氢工质的透平膨胀机研制的复杂性,氢透平膨胀机的研制在国内仍处于空白,随着清洁能源以及航空航天产业发展对液氢需求的增大,作为氢液化系统关键部件之一,氢透平膨胀机的研制越来越迫切,氢透平膨胀机作为氢液化系统关键产冷设备,其近等熵膨胀过程中能量转化效率至关重要。氢透平膨胀机的核心部件之一叶栅在透平膨胀机工作的过程中发挥着重要作用,主要功能是将氢气的约45%压力势能转化为膨胀功,作为膨胀机能量转换的重要场所,研究叶栅的能量损失机理以及提高其工作效率就显得尤为重要。论文主要通过理论分析、数值模拟和实验研究对特定工作条件下的氢气在叶栅中的动力学及热力学过程进行研究,主要内容如下:(1)对于绝热效率超过70%,流量为450g/s的氢透平膨胀机中的叶栅进行了理论分析,以氢气为工质,在边界条件为40K,入口压力0.60MPa以及出口压力0.43MPa工况下分析了其流动及能量转化过程;(2)采用Creo软件进行模型的建立,ICEM开展结构网格的划分,使用CFX商业软件,调用SST湍流模型,针对实际气体性质的氢气参数开展了数值模拟,基于压力云图、速度云图、温度云图分析流场分布规律。(3)通过静压分析、熵分析、总压损失系数分析以及流线与矢量图研究叶栅流场损失规律,得到入口鞍点的存在,即马蹄涡的形成,上下端壁以及吸力面有较厚的边界层形成,叶栅尾缘存在尾缘涡,并且同工质为空气、氦气、R245fa等叶栅的流场分布图对比分析。(4)基于叶栅流场损失规律,通过叶栅结构设计参数对二次流的影响进行分析,在不同叶片数、出气角、叶高以及进气角的设计参数下进行数值模拟,对比叶栅出口的气动性能,总结最优设计参数,对比分析各设计参数在提升叶栅气动性能的占比,发现优化叶片数可以较大幅度提升叶栅的气动性能,为优化叶栅的结构设计参数提供思路。(5)基于流固耦合理论开展叶栅静力学分析,即将流场计算得到的温度场和压力场施加到叶片表面,得到叶栅的形变和应力分析,得到叶栅尾缘处存在较大变形量及应力值,通过分析对比低温下黄铜、钛合金以、铝合金以及不锈钢的变形量,得到不锈钢的变形量最小,为优化叶栅材料提供了理论支撑。(6)基于理论分析和数值研究,设计并制作了实验装置,实验件入口段使用入口扩张段模拟蜗壳将气体导入叶栅,实验件出口段使用出口扩张段模拟叶栅的出口工作环境,在不同入口压力下以及入口温度为283K的氢气进行实验,将测量得到的实验模型进出口温度和压力作为数值模拟的边界条件进行计算,通过拟合实验和数值模拟的出口温度进行分析,同时,将实验获得的压力边界条件施加到低温工况进行数值模拟,对比常温和低温的模拟结果,结果表明本文所采用仿真模型和计算方法具有较高可信度,通过数值模拟得到的结论具有较高参考价值。