本研究的作者是GE飞机发动机公司的S. R. Manwaring和D. C. Wisler，两位均隶属位于俄亥俄州辛辛那提的航空动力学研究实验室。该项研究工作发表于《ASME Journal of Turbomachinery》期刊，出版于1993年10月（第115卷第4期）。
本研究属于航空发动机设计与空气动力学领域，具体聚焦于压气机和涡轮叶片的非定常空气动力学与阵风响应（Gust Response）问题。其学术背景在于，燃气涡轮发动机的压气机和涡轮叶片在实际运行中，会受到来自上游叶片排的周期性尾迹（wakes），以及压气机特有的旋转失速和进口畸变等非定常流动的干扰。这些周期性扰动会在叶片表面产生非定常气动载荷，当载荷频率与叶片的固有频率一致时，会引发严重的叶片振动，若材料疲劳极限被超过，甚至会导致叶片失效。因此，准确预测这些非定常载荷对于防止叶片故障至关重要。然而，在论文发表之时，大多数实验研究仅将测量结果与经典的平板理论模型（如LINSUB）进行对比，缺乏对更先进的现代预测模型的全面评估。同时，此前也未曾有关于涡轮叶片阵风响应的实验研究报告。因此，本研究的主要目标是：评估当时主流且实用的工程/分析模型在预测现代燃气涡轮叶片非定常气动载荷方面的能力，具体包括获取压气机和涡轮叶片的非定常气动流场及阵风响应实验数据、运用多种现有模型进行计算预测，并通过对比实验数据与预测结果来评估这些模型的适用性和实用性。研究旨在回答一系列关键问题，例如线性化分析方法是否足够准确、采用“冻结阵风”（frozen gust）假设是否会严重降低预测精度、是否需要同时考虑涡扰动（vortical disturbance）和势扰动（potential disturbance）、同一模型能否广泛适用于不同工况的压气机和涡轮叶片，以及这些计算程序是否具有工程设计迭代所需的实用性和效率。
为了达成上述目标，本研究采用了一套系统且详细的研究流程，结合了先进的实验测试与多模型计算分析。整个研究主要包括实验测试项目和数据采集、非定常激励与响应的数据处理与分解、以及使用多种计算模型进行预测与对比三大环节。研究主体使用了两种低速研究试验台作为测试载体：低速研究压气机（LSRC）和低速研究涡轮（LSRT）。LSRC模拟了现代高涵道比压气机中段的关键气动特征，具有高毂径比、高载荷、低展弦比和高稠度的叶片设计，并具备模拟上游旋转进口畸变的能力。LSRT则是一个类似概念的低速模型，用于模拟典型低压涡轮的流场。测试分别在压气机800 rpm（涵盖低载荷、设计点和高载荷/近失速三个工况）和涡轮600 rpm（低载荷和设计点两个工况）下进行。确认了在中展向位置的流动具有二维特性。测量对象包括进入下游叶片排的非定常速度和下游叶片表面的非定常压力。关键的测量仪器和技术包括：使用TSI IFA 100热线风速仪系统配备45度斜置热线和交叉热线，精确测量进入叶片排的定常与非定常流速和气流角，精度分别达到±1.25%和±0.5°；将超微型、高响应的Kulite LQ-125压力传感器嵌入叶片表面，测量叶片吸力面和压力面上的周期性非定常压力，并通过精心设计的压力孔确保高达1400 Hz（两倍叶片通过频率）内无衰减或相移的动态响应精度（±1.0%）。数据采集方面，利用每转一个脉冲的光学编码器触发，以高达50 kHz的采样率进行数字化采集，并对每个叶片间距内的至少70个等时间间隔点进行200次系综平均，以抑制时间不可分辨的非定常性影响。对于涡轮，为了消除紧邻的上游喷嘴（N1）尾迹的影响，所有测量数据均在其11个等间距周向位置上进行了周向平均。这种周向平均技术是本实验流程中的一个重要创新步骤，使得模型评估能够在排除多级复杂干扰的情况下进行。
数据处理分析流程的核心是谐波分解。首先，从系综平均的瞬时速度矢量图和时间平均矢量图中，计算出周向周期性变化的非定常速度分量u+（流向）和v+（横向）。然后，对u+和v+进行快速傅里叶变换（FFT），得到其各次谐波的傅里叶系数。本研究将第一阶谐波（对于转子尾迹对应叶片通过频率）的振幅和相位定义为“阵风”或“激励函数”。叶片表面非定常压力数据也经过同样的谐波分解，其第一阶谐波系数被定义为该测点处的“阵风响应”。为了进行有意义的比较，响应采用经典方式进行归一化，使用时间平均速度V和横向阵风分量v1+。此外，研究还采用了Giles提出的方法，将测量到的非定常速度分解为涡扰动和势扰动两部分，分别用系数D和A表示，这对于某些需要区分扰动类型的计算模型（如UNSFLO）的输入至关重要。
在计算分析方面，研究评估了五种不同的分析技术，代表了从经典到现代的不同建模理念：(1) LINSUB：经典的线性化平板分析法，假设均匀来流和冻结阵风模型。(2) LINFG：一种特设的线性化势流分析，使用冻结阵风模型，但基于非线性势流计算的定常流场。(3) LINFLO：二维线性化欧拉流分析，采用“畸变阵风”（distorted gust）模型，即阵风与平均流场发生相互作用。(4) LEAP2D：二维线性化欧拉流分析，同样采用畸变阵风模型，但使用自适应三角形网格。(5) UNSFLO：二维非线性欧拉分析，采用“广义尾迹”（generalized wake）模型，通过时间推进法直接求解包含定常和非定常分量的整个非线性流场。为确保公平和无偏见的评估，所有代码均由开发者本人或其认可的专家负责设置和运行。输入条件包括叶片几何参数以及从热线测量中获得的定常和非定常流动参数（如流量系数、进口马赫数、减缩频率、叶间相位角以及激励函数）。对于UNSFLO，特别输入了分解得到的涡扰动和势扰动系数D和A。
本研究的主要结果丰富且具有启发性，详细对比了不同模型在各种工况下的预测表现。首先，关于激励函数本身，研究揭示了压气机和涡轮转子尾迹产生的非定常速度特性存在根本差异。由于压气机转子进出口相对气流角和绝对气流角之和接近90度，其尾迹主要引起下游静子叶片进口绝对气流角（即攻角）和横向速度（v+）的大幅波动，而流向速度（u+）波动较小，因此横向阵风分量v1+占主导地位。相反，在低压涡轮中，相对气流角变化很小，而相对气流角和绝对气流角夹角较小（约25度），导致其尾迹主要引起下游导向叶片进口绝对速度和流向速度（u+）的大幅波动，流向阵风分量u1+反而比横向阵风v1+更大。这种根本差异直接影响了后续的响应特性。
其次，在压气机静子对转子尾迹的响应方面，研究发现随着载荷从低载荷增加到高载荷，叶片的非定常载荷特性发生变化。在低载荷时，所有模型（LINFG, LINFLO, LEAP2D, UNSFLO）对压力面非定常压力幅值的预测都很好。但在设计点和高载荷时，这些基于无粘流的模型在压力面前半段略有高估，后半段略有低估。研究分析了可能的原因，包括吸力面分离区波动的影响、下游转子势场的影响，以及转子尾迹中的低能流体在压力面聚集引起的边界层效应（无粘模型无法模拟）。在吸力面上，LINFLO, LEAP2D和UNSFLO在所有载荷水平下都能很好地预测弦向变化趋势，尤其是在设计点和高载荷时前80%弦长范围内的幅值和趋势预测非常出色。然而，这些模型无法预测高载荷时近尾缘处因分离区前后移动导致的非定常压力幅值急剧上升。在相位角预测上，LINFLO和UNSFLO表现优异，LEAP2D则存在约35-60度的整体偏移（文中推测可能与相位参考或前后处理有关）。LINFG由于采用冻结阵风假设，在约30-40%弦长后的相位预测很差。对于非定常压力差（叶片载荷），LINFLO, LEAP2D和UNSFLO在大部分弦长范围内都能很好地预测幅值和趋势，而LINFG在高载荷后部弦长区域偏差增大。LINSUB的预测总体最差。
第三，对于压气机静子对旋转进口畸变的响应，这是一个减缩频率极低（k=0.02）的准稳态问题。研究发现，由于畸变区周向尺度大，叶片流场呈现清晰的“畸变内”和“畸变外”两种准稳态状态。LEAP2D模型在预测非定常压力差的幅值以及各表面相位角的趋势和水平方面表现非常出色，而LINSUB和LINFG则预测很差。
第四，在涡轮导向叶片对转子尾迹的响应方面，由于涡轮本身载荷水平远高于压气机，而尾迹扰动强度相对较低，因此瞬时载荷分布与时间平均分布非常接近，变化不大。在预测幅值时，LINFLO, LEAP2D和UNSFLO在设计点对吸力面趋势预测极佳，对压力面趋势预测合理，但各模型在幅值定量上存在差异。在低载荷时，压力面前部（10-30%弦长）由于存在疑似分离，测量到的非定常压力幅值极低，所有无粘模型均无法准确预测此现象。在相位角预测上，LINFLO和UNSFLO再次表现“杰出”，而LEAP2D存在约150度的整体偏移，LINFG表现差。特别重要的一个发现是，通过对比D和A(l/V)的相对大小，研究证实涡轮流动中势扰动的贡献与涡扰动相当，不可忽略。当在UNSFLO的输入中同时包含涡扰动和势扰动时，其对涡轮非定常压力幅值的预测提高了20-40%，与实验数据吻合得更好。这首次通过实验证明了在涡轮阵风响应分析中正确考虑势扰动的重要性。
基于详尽的对比，本研究得出了明确的结论。科学价值与应用价值方面：1. 研究证实，对于所测试的广泛工况（包括高载荷、大弯度的低压涡轮），将非定常流动线性化于非线性定常平均流场之上的线性分析方法，能够提供合理的非定常载荷预测，非线性效应可以忽略。这为工程实用计算提供了理论依据。2. 研究明确否定了“冻结阵风”假设在高载荷情况下的适用性。采用该假设的模型（LINSUB, LINFG）在高载荷压气机和所有涡轮工况下预测精度下降。而采用“畸变阵风”或“广义尾迹”模型并结合现代CFD方法的模型（LINFLO, LEAP2D, UNSFLO）则能做出更准确的预测。3. 研究首次通过实验验证了在激励函数中同时包含涡扰动和势扰动的重要性，并提供了通过分析参数D的相位角来判断势扰动是否显著的经验法则：若D的相位角接近0°或180°，则势效应可忽略；若显著偏离，则必须考虑势效应。4. 从设计者角度看，本研究证明了这些先进的CFD代码能够在宽广的工况和减缩频率范围内，为压气机和涡轮提供有用的非定常流动响应预测。这意味着在设计阶段，工程师可以使用这些工具评估叶片的气动弹性风险，从而在硬件制造前进行优化迭代，有望节省大量时间和成本。此外，周向平均技术的成功也为这些代码应用于多级环境提供了指导。
本研究的亮点在于其系统性与开创性。它是首次同时报告压气机和涡轮阵风响应实验数据的研究，填补了涡轮阵风响应实验数据的空白。研究进行了迄今为止最全面的多种预测模型（从经典平板理论到现代非线性欧拉求解器）与高质量实验数据的对比评估。实验中采用了高精度的嵌入式动态压力传感器和先进的系综平均与谐波分解数据处理技术。特别重要的是，研究首次实验性地区分并量化了涡扰动和势扰动对涡轮叶片非定常响应的贡献，深化了对非定常流动物理机制的理解。整个研究设计严谨，流程清晰，结论对燃气轮机非定常空气动力学研究和工程设计具有重要的指导意义。