本文旨在介绍上海交通大学的研究团队于2024年在ASME涡轮博览会（Turbo Expo 2024）上发表的一篇题为“Experimental Investigation and System Simulation Analysis for the Aerodynamic Performance of a Two-Stage Axial Compressor with Inlet Dynamic Distortion”的学术论文。

一、 主要作者与发表信息 本研究的主要作者是上海交通大学的荣贺、王彤（通讯作者）和刘泳汶。该研究成果以会议论文形式发表在ASME Turbo Expo 2024（美国机械工程师学会涡轮博览会2024）的会议论文集中，论文收录于2024年6月24日至28日在英国伦敦举行的会议，论文编号为GT2024-126463。ASME Turbo Expo是叶轮机械领域最具影响力的国际会议之一。

二、 学术背景与研究目的 本研究属于叶轮机械气动动力学，具体聚焦于轴流压气机的稳定性与进气畸变。在实际应用中，压气机（compressor）的进气条件常常受到外部扰动的影响，例如大气阵风、管道弯头或分支导致的非定常流动。这些扰动可能引发进气口的空间总压畸变和平面波。平面波是一种进气截面上压力同相位、一维的非定常波动，对压气机的稳定运行构成潜在威胁，可能导致失速（stall）甚至喘振。尽管行业标准（如SAE S-16委员会）对平面波问题有所关注，但压气机对进气平面波（尤其是压力斜坡）的具体响应机理和失稳过程仍有待深入阐明。目前的研究多集中于数值模拟，缺乏详尽的实验数据支撑。

因此，本研究旨在通过实验手段，深入探究进气动态畸变（特别是模拟为平面波的动态压力斜坡）对一台两级轴流压气机性能和可靠性的瞬态影响。具体目标包括：1）研究进气动态畸变沿压气机轴向的演化特性；2）分析压气机在近失速点对畸变的响应以及伴随的迟滞现象；3）揭示由此引发的流动不稳定性发生机理。研究最终期望为理解压气机在非均匀、非定常进气条件下的不稳定运行特性提供实验依据和方法参考。

三、 详细研究流程与方法 本研究是一个系统的实验与模拟分析相结合的工作，主要包括实验系统搭建与测量、动态畸变生成、数据采集与处理、结果分析（畸变演化、不稳定过程分析）以及基于零维模型的迟滞特性模拟等环节。

1. 实验对象与测试系统：

   • 研究对象：一台两级轴流压气机，由进口导叶（Inlet Guide Vane, IGV）、第一级转子（R1）、第一级静子（S1）、第二级转子（R2）和第二级静子（S2）组成。该压气机由工业产品按比例缩小设计，主要参数包括：叶尖直径600毫米，设计转速6051 rpm，设计流量19.28 kg/s，设计总压比1.18。
   • 测试台架：遵循ISO 5801标准中的C型配置建造。主要包括：带有流量测量喷嘴和整流格栅的进气管道、被测压气机以及出口节流锥。压气机由一台75千瓦电机驱动，通过变频器调节转速。性能测试在低转速条件（2100 rpm， 2520 rpm， 2700 rpm）下进行，重点关注四个特征工况点：最大流量点（OP1）、较高效率点（OP2）、峰值静压升点（近失速点， OP3）和越过峰值静压升点（失速点， OP4）。
   • 性能评估参数：由于低速下压升绝对值较小，采用静压升系数Ψ_s和流量系数φ来评估压气机性能。

2. 测量方案与数据采集：

   • 测量变量：核心是瞬态静压的测量。
   • 传感器与布置：使用高响应频率（300 kHz）的Kulite静态压力传感器（型号XTL-140M, XCE-093）。在压气机流道的轴向和径向多个关键截面上布置了测点。轴向截面包括：整流格栅下游（A截面）、ISO标准压力测量截面附近（B截面）、压气机气动界面（C截面）、R1进口前（D截面）、R1出口后（E截面）、R2进口前（F截面）、R2出口后（G截面）和S2出口后（H截面）。在每个截面的圆周方向上也布置了多个测点，以捕捉畸变的周向特性。
   • 数据采集：采样频率为10 kHz，采样时间为9秒，远高于实验中压气机的叶片通过频率（1.125 kHz），满足动态测量要求。
   • 数据处理：采用移动平均滤波和移动中值滤波来消除粗大误差和随机误差。根据标准程序对测量参数进行了不确定性分析，静压升系数和流量系数的最大相对不确定度分别为1.83%和2.23%。

3. 动态畸变生成方法（创新点之一）：

   • 方法：本研究创新性地采用在进气管道入口处周期性插入和抽出一块平板的方式来模拟生成非周期性的进气动态畸变，并将其模型化为平面压力波。该方法借鉴了稳态畸变研究中用堵板生成畸变的思路，但通过控制平板的运动实现了动态过程。
   • 控制参数：平板的插入深度（h）、插入时间（t1）、保持时间（δt）和抽出时间（t2）均可精确控制和量化。通过改变这些参数，可以生成不同强度（用畸变指数DI_s量化）和不同变化率的压力斜坡。论文重点关注了斜坡时间在1-2秒范围内的平面波，以模拟实际环境（如5-120米高度大气运动）的特征。
   • 量化指标：定义了基于静压的畸变指数DI_s来衡量畸变强度，以及平面波振幅Amp（畸变期间与初始状态的时间平均压力差）来量化各截面压力斜坡的响应幅度。

4. 研究工作流程与数据分析：

   • 第一步：畸变的轴向与周向演化分析。对比稳定工况点（OP1， OP2）下，动态畸变在进气道内（截面A-C）和压气机流道内（截面D-H）的传播和衰减情况。通过比较不同圆周位置（堵板同侧与对侧）的Amp值，评估了IGV叶栅对空间畸变的衰减作用。
   • 第二步：不稳定过程（失速发展与恢复）的时频分析。以近失速点OP3为初始条件，引入动态畸变诱发失速。通过分析各截面的压力-时间历程曲线，并结合短时傅里叶变换，提取了整个动态畸变过程中压力信号的时频特性，用以识别失速起始、旋转失速频率以及失速恢复过程。
   • 第三步：迟滞环路分析与模拟。从实验中提取了压气机在失速发展和恢复过程中的瞬态性能曲线（Ψ_s - φ曲线），观察到了明显的迟滞环。随后，基于Moore的零维模型，引入了迟滞参数τ来量化流动的惯性效应。论文不仅应用了该模型，还进一步分析了τ在失速发展和恢复过程中的变化规律，而非将其简单视为常数。
   • 第四步：影响参数研究。分析了不同工作点（OP1-OP4）和不同插入深度（不同畸变强度）下，压气机对各截面压力响应（Amp）的差异。

四、 主要研究结果 1. 动态畸变的演化特性：实验结果表明，由插入平板产生的动态畸变在进气道内（截面A）表现出显著的空间非均匀性（周向不对称）。然而，当气流经过IGV叶栅后（截面C及之后），压力响应的周向差异变得非常小（小于测量不确定度）。这意味着IGV叶栅极大地衰减了周向空间畸变，使得进入第一级转子的流动可以近似为均匀的、随时间变化的平面波，从而验证了将本实验方法生成的畸变作为平面波模型研究的可靠性。

1. 不稳定性的诱发与传播：从近失速点OP3开始引入动态畸变，可以直接诱发压气机失稳。时频分析表明：

   • 失速起始位置：压力脉动幅值在第一级转子进口前（截面D） 最大，表明不稳定首先在第一级转子中产生。这与团队前期的数值模拟结果一致。
   • 失速传播：失速产生后，扰动会同时向上游和下游传播。在截面C至H均能观察到频率约为转子旋转频率50%的显著低频峰值，对应于旋转失速现象。同时，频谱上还存在一个较宽的低频区域，暗示存在旋转不稳定。
   • 失速恢复：在平板抽出的过程中（压力上升斜坡），随着进气流量增加，低频峰值和宽频区域逐渐衰减，压气机能够恢复至稳定状态。这说明通过控制进气压力斜坡，可以安全地诱发并恢复压气机的不稳定状态，为研究失速现象提供了一种有效的实验手段。

2. 迟滞现象与惯性效应：

   • 迟滞环的观察：在失速发展与恢复过程中，压气机的瞬态性能曲线形成了明显的迟滞环。研究发现，失速发展过程与恢复过程是不对称的。
   • 失速前兆：在失速发展过程中，观测到一个关键的压力突增过程（压力上升约3.17%-6.64%），该过程发生在完全失速之前，持续时间约十分之一秒量级。论文提出，这一压力突增过程可作为失速起始的一个有效前兆信号，具有工程预警价值。
   • 惯性效应的量化：通过对比迟滞环的形状和时频图中的时间滞后，发现流动的惯性效应在失速发展过程中比在恢复过程中更为明显。基于Moore模型对迟滞参数τ的模拟分析进一步证实了这一点：τ在失速发展过程中并非常数，而是先保持平稳（接近零），然后经历一个先增后减的突变过程；而在恢复过程中，τ的变化很小。这表明两个过程在物理本质上不同，是产生迟滞环的根本原因。

3. 影响因素分析：

   • 工作点影响：在稳定工况点（OP1， OP2），动态畸变导致压气机大部分截面压力下降，反映了流动损失的增加。而在近失速/失速点（OP3， OP4）引入畸变，则导致从进口到F截面的压力上升，表明此时流量减少引起的动压变化效应超过了畸变带来的流动损失。
   • 插入深度影响：畸变强度（插入深度）对压力响应有显著影响。Amp值随插入深度增加而增大，尤其在进气道内。即使经过两级压缩后，压力变化有限，但当插入深度为叶尖直径一半时，Amp仍可达到OP2工况压升的约10.5%，对稳定运行有不利影响。

五、 研究结论与价值 本研究的核心结论是：通过实验验证了采用插入/抽出平板的方法可以有效地在压气机进气口生成模型化为平面波的动态压力畸变。IGV叶栅能有效衰减空间畸变，使下游流动呈现均匀的平面波特性。该平面波能直接从近失速点诱发压气机失稳，失稳首先起始于第一级转子。研究发现失速发展与恢复过程不对称，并伴随明显的迟滞环，其根源在于流动惯性效应的差异，且惯性效应在发展过程中更为显著。研究还识别出失速前的一个压力突增过程，可作为失速预警信号。

科学价值：该研究为理解轴流压气机在进气动态畸变（平面波）下的瞬态响应和失稳机理提供了宝贵的实验数据和深入分析。它揭示了失速发展/恢复过程的不对称性和惯性效应的时变特性，深化了对压缩系统动态失稳物理过程的认识。

应用价值：提出的实验方法（平板动态插入法）提供了一种安全、可控、可量化的手段来研究压气机的不稳定运行特性，避免了传统节流阀方法可能对机器造成的损害。发现的压力突增前兆为开发压气机失速预警系统提供了直接的依据。研究结果对航空发动机、燃气轮机等面临复杂进气条件的叶轮机械的稳定性设计和控制具有重要参考意义。

六、 研究亮点 1. 创新的实验方法：开发并验证了利用动态插入/抽出平板来生成可量化的、模型化为平面波的进气动态畸变方法，为相关研究提供了新的实验技术路径。 2. 对失稳过程的精细刻画：结合高响应压力测量和时频分析，详细揭示了由平面波诱发的失速起始、传播（旋转失速与旋转不稳定）以及恢复的全过程，定位了失速起始位置。 3. 对迟滞现象与惯性效应的深入分析：不仅观察到了迟滞环，还利用零维模型对迟滞参数进行了动态模拟，明确了惯性效应在失速发展和恢复过程中的不对称性及其变化规律，深化了理论认识。 4. 发现有效的失速前兆：识别出失速发生前短暂但显著的压力突增过程，并论证了其作为工程预警信号的潜在价值。

七、 其他有价值内容 论文附录详细讨论了在动态畸变过程中瞬态流量系数的两种推导方法：基于进口面积变化的线性关系法和基于进气道测压的喷嘴流量计法。通过对比，作者指出基于压力推导的方法能更好地反映流道内的实际流动损失和时间滞后效应，因此被选用于构建瞬态性能曲线。这一讨论体现了作者对实验数据处理的严谨态度。