本研究由美国航空航天局（NASA）刘易斯研究中心（现格伦研究中心）的Chunill Hah和Douglas C. Rabe、莱特-帕特森空军基地以及通用电气飞机发动机公司（GE Aircraft Engines）的Thomas J. Sullivan和Aspi R. Wadia合作完成。该研究在1996年6月10日至13日在英国伯明翰举行的“国际燃气轮机与航空发动机大会暨展览会”上首次发表，并已被美国机械工程师学会（ASME）的会刊《Transactions of the ASME》录用。

二、 学术背景 本研究属于叶轮机械（Turbomachinery）与内流空气动力学领域，聚焦于跨声速压气机的非定常流动问题。在航空发动机中，压气机（特别是跨声速压气机）的性能与稳定性至关重要。然而，在实际工作条件下（如飞机机动飞行、进气道畸变等），压气机入口的流动常常是非均匀的，存在总压畸变（Inlet Total Pressure Distortion）。这种畸变会导致叶片承受非定常气动载荷，引发叶片振动，极端情况下可能造成叶片疲劳失效，甚至导致整个发动机灾难性故障。虽然入口畸变对压气机稳定性和性能的宏观影响已有一定认识，但关于畸变如何影响跨声速压气机转子内部详细、瞬态流场结构的机理尚不明确。因此，本研究旨在通过实验测量和数值模拟相结合的方式，深入探究周向入口总压畸变对一个低展弦比、高转速、高压比的跨声速压气机转子内部流场的影响，以期从物理机理层面揭示非定常流动现象，从而为压气机在非均匀来流条件下的设计和稳定性评估提供更深入的理论依据。研究的直接目标是分析畸变在转子通道内的传播与演化、其对通道激波（Passage Shock）结构的影响、以及由此引发的与叶片边界层的相互作用，最终量化这些复杂流动对转子气动性能（如效率和喘振裕度）的影响。

三、 详细工作流程 本研究采用了高度互补的实验与数值模拟方法，整个工作流程可分为实验研究、数值模拟以及结果的对比分析与物理阐释三个主要部分。

1. 实验研究流程 研究对象为一台两级轴流压气机的第一级转子（Rotor 1）。该转子是先进的低展弦比（1.0）跨声速设计，共有16个叶片，设计压比为2.5。其实验流程如下： * 畸变生成与稳态性能测量：在转子入口上游约102厘米处安装一个具有八个畸变单元（8 periods per revolution）的畸变网栅（Distortion Screen），以产生周向总压畸变。为获得转子在有无畸变下的整体性能，研究团队在入口畸变平面（位于网栅下游）布置了8个周向等距的测量耙，每个耙有5个径向测点，以测量入口总压。转子出口的总压和总温则在第一级静子（Stator 1）前缘的测量站用稳态探针测量。通过这些测量，可以计算出压比、效率等总体性能参数。为获得更精细的入口畸变数据，实验还通过旋转畸变网栅至10个不同位置，在每个位置采集入口和出口总压、总温数据，最终合成高分辨率的畸变图谱。 * 非定常流场精细测量：这是本实验的创新与核心部分。为了直接获取转子内部的瞬态流动信息，研究团队将微型高频响压力传感器（Miniature High Response Pressure Transducers）嵌入到两个相邻的转子叶片中（每个叶片嵌入7个传感器），传感器沿设计流线布置，近乎齐平地安装在叶片表面（吸力面和压力面），用于测量非定常的叶片表面压力差。这是首次在如此高速的机器上实现叶片表面瞬态压力的直接测量。同时，在机匣端壁上安装了16个高频响压力传感器，用于测量端壁附近的非定常静压场。所有瞬态测量数据都进行了周向平均或时均处理以减少噪声影响，例如叶片压力测量至少平均了1200个畸变周期。 * 测量精度：测量精度经过严格控制，例如稳态压力测量精度为±0.002 atm（入口）和±0.007 atm（出口），叶片表面瞬态压力差测量精度为±0.031 atm，确保了数据的可靠性。

2. 数值模拟流程 为了弥补实验测量的局限性（如无法获得全场流动物理量），并更深入地理解流动机理，研究团队进行了高精度的计算流体力学（CFD）模拟。 * 模型与算法：数值模拟的核心是求解雷诺平均纳维-斯托克斯（Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS）方程。对于无畸变的干净来流情况，采用定常三维粘性流计算。对于有入口畸变的情况，流场变为非定常，因此采用非定常三维粘性流计算。数值方法基于一个已验证的定常三维N-S求解器进行扩展。时间项采用二阶隐式格式积分，空间对流项采用三阶精度格式离散，以最小化数值耗散。湍流模型采用半经验输运方程求解湍动能和湍流耗散率。这是一个先进的、具有高时空精度的非定常计算框架。 * 计算设置：计算网格针对两个转子通道（涵盖一个完整的畸变周期）生成，包括流向152个节点、叶栅方向100个节点、展向46个节点，并在叶尖间隙区域设置了6个节点，网格总节点数约70万。入口边界条件指定为随时间变化的周向与径向总压畸变分布（基于实验测量），以及总温和两个速度分量。出口边界条件在机匣端壁一个周向位置指定静压，并采用非反射边界条件。计算先获得定常解作为初场，然后进行非定常计算，直至监测的流量和效率等参数呈现周期性变化，达到收敛状态。对于高转速工况，需要计算约20个畸变周期才能达到收敛的周期解。计算在Cray C-90超级计算机上进行，计算一个畸变周期约需1个CPU小时。

3. 对比分析与物理阐释流程 研究团队将数值模拟结果与实验数据在多层面进行系统性对比，以相互验证、增强置信度，并利用数值结果揭示实验难以捕捉的详细流动结构。对比内容包括： * 总体性能：对比有无畸变下的压比-流量特性曲线。 * 端壁流场：对比干净来流下机匣端壁的静压分布与激波结构。 * 畸变图谱演化：对比有无畸变下，转子出口总压分布的实验测量与数值结果。 * 叶片非定常载荷：对比特定弦向位置（80%弦长）和展向位置（85%叶高）的叶片瞬态表面压力差。 在确认数值模拟能够合理复现实验观测的主要现象后，研究团队利用数值模拟提供的详细全场信息（如马赫数云图、熵云图、涡量结构等），对流动的物理机制进行深入分析，特别是激波振荡、涡脱落、边界层发展及其相互作用。

四、 主要研究结果 1. 畸变传播与总体性能影响： 实验和数值结果均证实，入口总压畸变（八个周向低压/高压区）会穿越转子通道，并被带入下游静子。在转子出口，畸变图谱的形状发生了显著改变，但仍能辨识出八个主要的畸变单元，表明转子并未将畸变完全掺混均匀。在总体性能方面，入口畸变导致转子在相同流量下运行于更高的压比点，意味着有效堵塞增加，工作点更靠近失速边界。

2. 低转速（68%设计转速）下的流动与性能： 此时转子通道内未形成强通道激波。畸变引起的上游扰动几乎能瞬时影响整个流道。数值结果显示，在压力面侧会形成并向下游输运涡结构（标记为Vortex 1/2）。有趣的是，这些涡结构与叶片边界层的相互作用似乎激发了边界层，并未导致显著的边界层增厚。实验和数值计算均发现，与干净来流相比，在有畸变的工况下，叶片外径区域（70%叶高以上）的叶片截面效率（Blade Section Efficiency）反而有所提高，整体效率提升了约0.4%。时间平均的熵云图对比也显示，有畸变工况下靠近叶片表面的熵生成区域更小。这表明在亚声速工况下，适度的非定常流动（涡与边界层相互作用）可能对性能有积极影响。

3. 高转速（98%设计转速）下的流动与性能： 这是研究的重点，此时流动为跨声速，转子通道中存在强通道激波。主要发现包括： * 激波剧烈振荡与强相互作用：数值模拟清晰地展示，当转子叶片扫过畸变图谱时，通道激波系统发生剧烈振荡，振荡幅度可达弦长的20%。这种振荡的激波与叶片吸力面边界层发生了极其强烈的非定常相互作用。 * 涡脱落与流动堵塞：强烈的激波-边界层相互作用导致大尺度的涡在流道内生成并向下游迁移（图14清晰展示了涡的形成与发展过程）。这些涡主导了通道内的流动。同时，叶片边界层由于激波振荡而显著增厚。 * 性能损失：与一个具有类似激波结构（即类似负荷水平）的干净来流工况相比，入口畸变导致叶片外径区域（60%叶高以上）的截面效率下降。数值分析表明，这种效率下降主要归因于振荡激波与边界层相互作用产生的额外气动损失。计算得出的峰值气动损失增加了约1%，整体效率下降约1%。时间平均的熵云图显示，在有畸变的工况下，高熵生成区域主要集中在吸力面附近，直接证实了激波-边界层相互作用是损失的主要来源。

4. 三维涡系结构： 通过分析转子下游的瞬时熵云图，研究团队识别出两个主要的涡核：Vortex A 与叶尖间隙涡和激波相互作用相关，在高转速下向流道内延伸更深；Vortex B 与沿吸力面向外甩出的二次流相关。这两个涡的强度和相互作用在高低转速下有所不同，展示了畸变影响下转子内部复杂的三维非定常涡系演化。

五、 结论与意义 本研究系统揭示了周向入口总压畸变对跨声速压气机转子内部流场的深刻影响，并得出以下核心结论： 1. 入口流动畸变能够穿越转子通道，并改变下游流场，其非定常效应在高低转速下均显著存在。 2. 在亚声速（低转速）流动范围内，特定的入口畸变可能通过与通道涡和边界层的有利相互作用，略微提升转子外径区域的效率。 3. 在跨声速（高转速）流动范围内，入口畸变会引发通道激波的大幅度振荡，并与叶片吸力面边界层产生强烈的非定常相互作用。这导致边界层增厚、涡脱落和有效流道堵塞增加，迫使转子在更靠近失速的条件下运行，并显著增加气动损失（峰值损失增加约1%）。激波振荡幅度可达弦长的20%。 4. 入口总压畸变对压气机性能的影响（正或负）取决于流动状态。当流场中存在强激波并与边界层发生剧烈非定常相互作用时，会导致性能恶化；而在无强激波的流动中，影响可能中性甚至略有积极。

本研究的科学价值在于，首次通过高精度的实验测量（叶片嵌入式传感器）与先进的非定常数值模拟相结合，详尽揭示了跨声速压气机在入口畸变条件下的内部非定常流动物理机理，特别是量化了激波振荡和激波-边界层相互作用对损失的具体贡献。其应用价值在于为航空发动机跨声速压气机在非均匀来流条件下的设计、稳定性分析和健康监测提供了关键的物理洞见和验证数据，有助于发展更精准的性能预测模型和更稳健的设计准则。

六、 研究亮点 1. 方法创新与互补性：成功将转子叶片嵌入式微型高频响压力传感器的直接测量与高精度三维非定常RANS数值模拟相结合，是研究此类极端复杂内部流动的典范。两者高度互补，实验验证了计算的可靠性，计算揭示了实验难以观测的机理。 2. 物理机理的深入揭示：清晰捕捉并量化了跨声速条件下，通道激波在畸变作用下的剧烈振荡（幅度达弦长20%），以及由此引发的强非定常激波-边界层相互作用和涡脱落过程，明确了这是高转速下性能损失的主要根源。 3. 颠覆性发现：指出了在亚声速条件下，入口畸变带来的非定常性可能对效率产生微弱的积极影响，这一发现挑战了“畸变总是有害”的简单认知，表明影响具有流态依赖性。 4. 研究对象典型：研究的转子是具有代表性的低展弦比、高负荷、跨声速现代压气机设计，其结论对高性能航空发动机压气机研发具有直接参考价值。