本次介绍的研究由来自Cranfield University（英国克兰菲尔德大学）的David G. MacManus（教授）、Nicola Chiereghin（博士研究生）、Daniel Gil Prieto（博士研究生）及Pavlos Zachos（讲师）共同完成。该研究成果以论文形式发表于AIAA Journal（美国航空航天学会期刊）2017年7月第55卷第7期，具体标题及DOI请参阅原文。

本研究隶属于航空推进系统与空气动力学交叉领域，核心关注点为嵌入式发动机进气道的流场问题。随着未来航空器设计趋势倾向于将推进系统与机体更紧密地耦合（即“嵌入式”或“半嵌入式”布局），以获取减阻、降噪和整体性能提升的潜力，进气道的几何形状变得愈发复杂。这些复杂的进气管道（尤其是S型弯管）会引入显著的非均匀流动，即畸变，包括总压不均和旋流，并伴随强烈的非定常（动态）特性。这种动态畸变对下游风扇/压缩机的稳定工作边界（如喘振裕度）构成严重威胁，而现有的工业实践在预测此类动态畸变诱发的不稳定性方面存在局限。因此，本研究旨在利用现代计算流体力学方法，深入探究复杂S型进气道内的非定常流动特性，具体目标包括：1）评估延迟分离涡模拟方法对此类复杂流动的模拟能力；2）研究流场的非定常特性及其对传统畸变指标的影响；3）探索应用本征正交分解方法来理解非定常流动畸变的本质与模态结构。

研究的主体工作流程包含五个关键环节，环环相扣。第一环节是研究对象定义与数值方法确立。研究团队选取了三种不同几何构型的S型管道作为研究对象，其核心差异在于垂直偏移量、雷诺数和马赫数。这些构型的设计参数源自或参考了之前Wellborn、Garnier、Delot等人的实验研究，确保了后续验证的可靠性。计算采用延迟分离涡模拟这一混合湍流模拟方法，它能在壁面附近使用雷诺平均Navier-Stokes方程，而在主流区域切换为大涡模拟方程，以经济地捕获分离流动中的主要湍流结构。研究中选用k-ω SST湍流模型进行方程闭合。第二环节是计算设置与网格无关性验证。团队创建了结构化多块网格，并进行了细致的网格敏感性分析。通过对比粗、中、细三种网格（节点数分别为310万、590万和1120万）的稳态与非定常计算结果，评估了网格分辨率对压力恢复系数、畸变指标（如DC60、CDI、RDI）及其标准偏差的影响。结果表明，中等网格在计算精度与资源消耗间取得了良好平衡，因此后续所有构型的模拟均基于中等网格进行。同时，也验证了时间步长和模拟总时长（55个对流时间尺度）对结果统计稳定性的影响。第三环节是方法验证与基准流场分析。为验证数值方法的可靠性，团队对两个带下游整流锥的S型管道构型进行了模拟，并将其结果与Delot等人的实验数据进行定量比较。对比内容包括时均压力恢复分布、压力恢复标准偏差分布以及总压波动的频谱特性。结果显示，DDES计算能够准确复现实验观测到的时均压力损失区域、非定常高波动区（两个对称瓣状区域）以及不同频率段下的非定常拓扑结构，证明了所采用的计算方法能够可靠地模拟此类复杂进气道内的非定常流动物理。初步的流场可视化（如涡量、Q准则等值面）揭示了流动分离和二次流涡系是主导流场复杂性的两大关键物理机制。第四环节是参数研究与动态畸变量化。在验证基础上，研究团队对五种无整流锥的S型管道构型进行了系统的DDES模拟，以探究垂直偏移量、马赫数和雷诺数的影响。核心工作是在每个时间步上，提取气动界面上的全场数据，并依据行业标准（如SAE AIR 1419A, 5686）计算一系列总压畸变指标和旋流畸变指标，包括DC60、CDI、RDI、SC60、SI等，并分析它们的时均值、标准偏差以及瞬时峰值。此外，还绘制了诸如CDI-RDI、SC60-DC60等参数间的“映射图”，以直观展示动态畸变的联合统计特性。第五环节是深入机理分析：频谱分析与本征正交分解。为了更深入地理解非定常特性的本质，研究对AIP平面的总压场进行了频谱分析和本征正交分解。频谱分析将总压波动按斯特劳哈尔数分段显示，揭示了不同频率成分对应的空间分布模式。POD分析则用于提取主导非定常流动的模态（空间结构）及其对应的时间系数。通过分析前几阶POD模态的空间形态及其时间系数的频谱特性，可以将特定的非定常模式与流动物理机制（如二次流涡系摆动、中心线分离区的脉动）联系起来。最后，团队还通过重构剔除特定POD模态后的流场，量化了不同模态对关键动态畸变指标波动的贡献度。

研究取得了丰富且多层次的成果。在方法验证方面，DDES计算在时均压力恢复、非定常波动峰值区域及频谱分布上与实验数据吻合良好，证实了其捕捉S型管道内高非定常分离流动物理的能力。在参数影响方面，结果表明：1）几何偏移量影响显著。高偏移量管道（S-duct 3）虽然时均总压损失更大，但由于损失区更集中，其DC60指标反而低于低偏移量管道（S-duct 2）。然而，高偏移量管道的径向畸变指数RDI的非定常波动（标准偏差）几乎加倍，且旋流强度和SC60指标更高。流场显示，其二次流涡系向中心移动，与中心线分离区更紧密地交织，导致非定常特性更宽频、模态区别变模糊。2）马赫数增加会降低压力恢复，并显著增加CDI、RDI等总压畸变指标的时均值和非定常强度。3）雷诺数在本研究变化范围内的影响相对较小。在动态畸变特性方面，一个关键发现是流动具有高度的动态性。瞬时畸变峰值可达到时均值的两倍（例如，瞬时SC60和DC60峰值可达时均值的两倍），这强调了仅依赖时均数据进行发动机兼容性评估的风险。旋流畸变同样表现出强烈的非定常性。在流动机理方面，频谱和POD分析清晰地揭示了两类主导的非定常机制：对于低偏移量管道，斯特劳哈尔数St~0.4附近的非定常性主要对应于二次流涡系在对称位置的反相摆动（POD模态1）；而St~0.7-0.8附近的非定常性则与中心线分离区的脉动相关（POD模态2）。这两者在空间和频率上都有一定区分。对于高偏移量管道，这两种机制在空间上更加融合，导致非定常频谱更宽频，POD模态的排序和形态也发生变化。在POD模态与畸变指标的关联方面，研究的一个重要结论是：虽然POD模态0（时均流）主导了时均特性，但动态畸变指标（如CDI、RDI的标准偏差）并非仅仅与某一个特定的POD模态强相关。除了高偏移量管道中与中心线分离强相关的某个模态对RDI波动有较大贡献外，总体而言，动态畸变是多个模态共同作用及其相互耦合的结果。

本研究得出的主要结论是：S型进气道内的流动具有高度的动态和非线性特征，其产生的总压和旋流畸变受管道几何（尤其是偏移量）和流动条件（马赫数）的显著影响。传统的时均畸变指标可能无法充分反映瞬时峰值畸变的威胁，因此必须重视动态畸变评估。DDES方法能够有效模拟此类复杂流动。POD分析成功识别了与非定常物理机制对应的流动模态，但动态畸变特性通常依赖于一系列模态的综合作用，而非单一模式。这意味着在实验或计算中试图用简单的“典型”信号来复现动态畸变对发动机的影响可能是困难的。

本研究的价值体现在多个层面。科学价值在于：1）系统性地揭示了S型管道几何参数对动态流动畸变多维度指标（总压、旋流）的影响规律，深化了对复杂内流非定常物理的理解。2）成功将POD方法应用于进气道畸变分析，建立了特定POD模态与涡系摆动、分离脉动等物理机制的对应关系，为机理研究提供了新工具。3）明确了动态畸变的多模态耦合特性，对构建降阶模型或简化表征方法提出了重要见解。工程应用价值在于：1）为嵌入式发动机进气道设计提供了详实的动态畸变数据库和敏感性分析，有助于在早期设计阶段评估和优化进气道性能。2）验证了DDES方法在进气道动态畸变预测中的可行性和精度，为工业界采用高保真模拟工具提供了参考和信心。3）研究结果强调了将动态畸变峰值（而非仅时均值）纳入发动机/进气道相容性评估体系的必要性，对提高发动机工作安全裕度具有指导意义。

本研究的亮点突出：首先，研究内容系统而深入，不仅完成了方法验证和参数研究，还通过先进的频谱分析和POD方法深入挖掘了非定常流动的物理本质，形成了从现象描述到机理揭示的完整链条。其次，动态畸变量化全面，同时考虑了总压和旋流两类畸变，并分析了它们的联合统计特性，更贴近工程实际需求。再者，揭示了动态畸变的多模态耦合特性，这一结论挑战了寻找单一主导动态模式的传统思路，具有重要的理论和实践意义。最后，高质量的数值模拟与实验数据的详尽对比，极大地增强了研究结论的可信度和说服力。