学术研究报告：《进口畸变引发的旋转非均匀性及其在压气机失速起始中的作用》
本研究由来自北京航空航天大学能源与动力工程学院的闫建东 (Jiandong Yan)、潘天宇 (Tianyu Pan) 和李秋实 (Qiushi Li) 共同完成。论文《Rotating nonuniformity induced by distortion inlet and its role on the compressor stall inception》发表于《Physics of Fluids》期刊2025年9月17日第37卷第094124号。这项工作旨在深入探究周向进口畸变（Circumferential inlet distortion）如何影响轴流压气机的失速起始机制，特别是在诱发新型流动不稳定性方面的作用。
研究背景与目的 该研究属于叶轮机械气动热力学，特别是压气机流动稳定性领域。在现代航空推进系统中，压气机或风扇常常暴露于非均匀的进气条件下，即进口畸变。其中，周向总压畸变（例如由边界层吸入、突风、唇口分离或地面涡引起）对气动稳定性尤其有害，会显著降低压气机的稳定工作裕度。确保压气机在畸变条件下可靠运行，需要透彻理解其失速起始的物理机制。过去的研究普遍认为，周向畸变主要通过在特定周向区域诱发局部流动结构恶化（如激波增强、涡破碎、边界层分离等）来促进“突尖型”（Spike）失速的起始。然而，本研究揭示了一种此前未被充分认识的新机制：周向畸变不仅会引入固有的非均匀性（Inherent nonuniformity），更重要的是会激发出一种旋转非均匀性（Rotating nonuniformity），这种全局性扰动会显著调制涡结构强度，并主导失速的发展过程。因此，本研究的目标是通过高精度的全环非定常数值模拟，系统揭示这种旋转非均匀性的产生、演化过程，并阐明其在触发压气机失速过程中的关键作用。
详细工作流程 研究采用了全环、非定常、三维计算流体动力学（CFD）模拟作为主要技术手段，流程严谨，涉及建模、验证、数据分析和量化等多个步骤。
首先，研究对象的建立与数值方法设定。研究目标是一个设计总压比为1.6、高度负荷的1.5级跨音速轴流压气机。为模拟周向畸变，在压气机进口管道的一个指定扇区内放置了多孔屏式畸变发生器。计算域包括进口、畸变发生器、转子、静子和出口。网格生成采用NUMECA AutoGrid5软件，构建了高质量的结构化网格。全环计算域总网格量约为1510万节点，在流向、展向和周向均经过网格无关性验证，确保对关键区域（如叶尖间隙）的流动解析精度。时间步长也经过独立性验证，每个叶片通过周期内包含41个物理时间步。
其次，计算求解与边界条件设置。非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程求解采用商业软件ANSYS CFX。湍流模型选用适用于强逆压梯度的Menter k-ω剪切应力输运（SST）模型。进口边界设定为标准海平面大气条件，出口采用节流阀模型（Throttle model）控制背压，通过调节节流阀参数kt模拟从堵塞点到失速点的节流过程。转子与静子交界面采用瞬态转子-静子模型。所有壁面设置为绝热、无滑移壁面。
第三，数值方法的验证。研究团队将数值模拟结果与已有实验数据进行了全面对比，以验证模型的可靠性。对比内容包括：1) 性能曲线：模拟得到的压气机性能图（总压比vs. 流量）与实验测量结果趋势一致，失速点预测虽有微小偏差但总体可接受。2) 展向总压分布：在两个典型工况下（大流量和近失速），模拟的周向平均展向总压比分布与实验测量吻合良好。3) 机匣压力谱图：在失速起始阶段，模拟捕捉到了与实验类似的不稳定扰动能量聚集现象，特别是在0.7倍叶片通过频率（BPF）附近。4) 失速胞传播速度：模拟得到的失速胞传播速度约为56%转子转速，与实验测得的54%非常接近。这些验证工作共同证实了所采用的数值方法能够准确捕捉进口畸变条件下的流动失稳关键特征。
第四，先进的数据分析方法。为深入剖析复杂的非定常流场，本研究采用了多种先进的流场分析和涡识别量化技术： * 频率域转换：对监测点的一维时间序列数据使用小波变换（Wavelet transform），以能量谱图形式表征失速相关的非定常扰动。 * 动态模态分解（Dynamic Mode Decomposition, DMD）：用于分解三维流场数据，提取不同频率的流动模态，识别不稳定扰动的源头和空间结构。 * 多波近似方法（Multi-wavelet approximation method）：用于提取周向流动参数分布中的主导波数分量，定位失速触发事件。 * 涡识别方法：采用先进的Liutex方法（一种基于刚性旋转物理定义的涡识别向量，Rortex vector）来精确识别和可视化复杂湍流中不同类型的涡结构，如叶尖泄漏涡、前缘涡等，该方法对剪切污染不敏感，能同时捕获强弱涡。 * 涡定量方法：为量化涡结构强度，定义了两个关键参数：1) 叶尖泄漏涡动量：通过计算叶尖间隙区域单位弦长上的泄漏流动动量（( \overline{M}{tl} )）及其沿弦长的累积值（( M{tl}^{\dagger} )）来表征叶尖泄漏涡强度。2) 前缘分离涡强度：通过积分叶片吸力面分离区域（20%至85%展向范围）的相对流向速度亏损，定义一个综合参数 ( I_{v}^{\dagger} ) 来量化前缘涡的强度。所有量化参数均采用基于叶片通过周期的相平均方法处理，以获得其周向分布的演化规律。
主要研究结果 研究通过上述方法，逐步揭示了从进口畸变到旋转非均匀性，再到最终失速的完整物理图像。
阶段一：固有非均匀性与旋转非均匀性的识别与表征。分析40%叶展附近转子前缘的压力波动空间模态谱发现，除了与转子叶片数对应的第17阶波数外，第一阶波数分量的振幅在失速前逐渐增强。更重要的是，其相位演化在失速前约12.2个转子周期时发生明显转变：在此之前，相位围绕一个均值随机波动，这被定义为由畸变直接导致的固有非均匀性，它被锁定在畸变扇区；在此之后，相位开始在整个环面内呈现相干、有序的旋转演化，同时振幅持续增强，这标志着旋转非均匀性的出现。这种旋转非均匀性的频率在静止坐标系下约为0.24倍叶片通过频率。DMD能量谱分析进一步证实了这一发现。在固有非均匀性阶段，除了固有的畸变模态和转子-静子干涉模态外，在0.53-0.71 BPF频段存在显著的能量集中，对应着前缘涡的非定常脱落。而在旋转非均匀性阶段，则在0.17 BPF（相对坐标系，静止系为0.24 BPF）处出现了一个新的主导能量峰，即旋转非均匀性模态。
阶段二：非均匀性对涡结构的空间调制作用。利用Liutex方法可视化涡结构，并结合DMD重构流场，清晰展示了非均匀性如何影响涡的空间分布。 * 前缘涡：在固有非均匀性阶段，前缘涡主要在畸变扇区（约60°-270°周向范围）产生，并从叶中区域向叶尖沿尾缘方向传播，呈现强烈的空间局部性。进入旋转非均匀性阶段后，前缘涡的拓扑结构受到旋转非均匀性模态的强烈调制。出现了一个大尺度前缘涡，并随着旋转非均匀性模态的相位变化而沿周向传播。当模态相位与畸变扇区对齐时，受影响流道内的涡结构得到最大强化，形成“龙卷风”状涡；随着相位移动，最强扰动区域也相应移动。 * 叶尖泄漏涡：在98%叶展区域的分析显示，固有非均匀性阶段存在一个0.74-0.89 BPF的强能量带，对应着叶尖泄漏涡的非定常结构。涡的相干性随周向位置变化：进入畸变扇区前，涡结构较为规则；通过畸变扇区后，涡的相干性被破坏，形成更大、更混乱的涡胞。旋转非均匀性阶段，该能量带更加集中，表明叶尖泄漏涡的非定常响应变得更加有序但更强烈。
阶段三：旋转非均匀性在失速触发事件中的主导作用。通过量化参数 ( M{tl}^{\dagger} ) 和 ( I{v}^{\dagger} ) 的周向分布时间演化图，研究精确刻画了失速触发过程。 1. 前缘涡的率先响应：在失速前约第14个转子周期，( I{v}^{\dagger} ) 开始持续上升，标志着前缘涡强度开始系统性增长。这与旋转非均匀性的出现时间点吻合。此时，前缘涡强度的增强区域开始随旋转非均匀性模态沿周向传播。而此时的叶尖泄漏涡强度 ( M{tl}^{\dagger} ) 仍保持相对稳定，分布较为局部化。 2. 两阶段失速触发机制：研究明确揭示了一个两阶段的连锁反应过程： * 第一阶段（扰动传播与增长）：旋转非均匀性被激发，导致前缘涡强度不断增长并沿周向传播。这是失速过程的“导火索”。 * 第二阶段（涡间相互作用与崩溃）：从前缘涡开始恶化（图中深红色区域）起，引发了正反馈循环。大约从失速前第9个转子周期开始，( M{tl}^{\dagger} ) 也开始增长，表明叶尖泄漏涡受到前缘涡恶化的影响而失去约束。到约第5.5个周期，( M{tl}^{\dagger} ) 急剧上升，标志着叶尖泄漏涡的快速崩溃。此时，两种涡的增强区域在周向上同步演化。 3. 最终失速胞的形成：在失速前的最后几个周期，上述过程导致前缘涡与叶尖泄漏涡发生强烈的相互作用与合并。低动量流体被向上游输运，并逐渐汇聚成一个占主导地位的单失速胞，最终导致整个流道的流动崩溃，形成典型的旋转失速。
结论与价值 本研究得出以下核心结论：周向进口畸变不仅引入静止的固有非均匀性，更重要的是在压气机接近失速时，会激发出一种以第一阶波数为特征、沿周向旋转传播的旋转非均匀性。这种旋转非均匀性是触发“突尖型”失速的关键机制。前缘涡在旋转非均匀性的作用下最先被失稳，其强度增长和沿周向传播是失速过程的主导先驱。随后，叶尖泄漏涡受到前缘涡恶化及脱落涡的影响而上游迁移并崩溃，作为次要贡献者参与其中。两者的相互作用最终导致单一旋转失速胞的形成。
本研究的科学价值在于，首次系统性地识别并深入揭示了由进口畸变激发的旋转非均匀性模态，并阐明了其在调制涡结构动态、触发两阶段失速过程中的核心作用。这为理解复杂进气条件下压气机的失速机理提供了全新的视角，超越了传统上仅关注畸变扇区内局部流动恶化的认识。其应用价值体现在，该研究发现的机理有望为发展更有效的主动流动控制策略（如针对旋转非均匀性模态的抑制）提供理论基础，从而提高未来航空发动机在严酷进气条件下的工作稳定性和可靠性。
研究亮点 1. 新颖的物理机制发现：首次明确提出并证实“旋转非均匀性”是连接进口畸变与压气机失速的关键中间环节，揭示了其在全局范围内调制流动并触发失速的机制。 2. 先进的多技术融合分析方法：研究结合了全环高精度URANS模拟、DMD、小波变换、Liutex涡识别以及独创的涡结构定量化参数（( M{tl}^{\dagger} ) 和 ( I{v}^{\dagger} )），多角度、多层次地揭示了从宏观模态到微观涡演化的完整物理链条，分析方法系统且前沿。 3. 清晰的两阶段失速触发过程刻画：通过细致的定量分析，明确区分了前缘涡先导失稳和叶尖泄漏涡后续崩溃的两个阶段，理清了不同涡结构在失速过程中的作用顺序和逻辑关系，对失速起始过程的认识更加精细化。 4. 严谨的验证与扎实的数据支撑：研究建立了详细的数值模型，并与实验数据进行了多方面的严格对比验证，确保了研究结论的可信度。所有关键发现均有详实的流场可视化、频谱分析和定量数据支持。