本文的作者是Ali Zamiri、Kun Sung Park、Minsuk Choi和Jin Taek Chung，他们分别来自韩国大学（Korea University）机械工程系和明知大学（Myongji University）机械工程系。这项研究以论文形式发表于学术期刊《Applied Sciences》，论文在线发表日期为2021年4月2日。
本研究属于流体力学与叶轮机械（Turbomachinery）领域，具体聚焦于离心压缩机（Centrifugal Compressor）的流场非定常特性与气动噪声。研究的背景源于工业界对先进燃气涡轮发动机性能不断提升的需求，特别是对更高效率、更高压比和更大质量流量的跨声速离心压缩机的需求。在离心压缩机中，带叶扩压器（Vaned Diffuser）对于压力恢复和流动稳定至关重要，但叶轮与扩压器叶片之间的相互作用（Impeller–diffuser Interaction）会产生复杂的非定常流动结构，这是影响压缩机性能、工作范围和噪声特性的关键因素。其中，由叶片通过频率（Blade Passing Frequency, BPF）主导的离散噪声是离心压缩机的主要噪声源。虽然已有研究探索了通过改变叶轮或扩压器几何形状来降低噪声，但这些方法往往成本高昂或制造复杂。基于作者团队先前的一项稳态研究发现，在扩压器叶片前缘施加倾角可以有效改善气动性能。然而，该研究并未考虑非定常效应。因此，本研究的主要目标，是采用非定常数值模拟方法，系统研究扩压器叶片前缘倾角对叶轮-扩压器瞬态相互作用、流场非定常特性以及由此产生的噪声特性的影响，旨在找到一种既能提升气动性能和失速裕度（Stall Margin），又能有效降低噪声的扩压器优化设计方法。
研究的详细工作流程如下：
1. 研究对象与几何建模： 研究以NASA CC3跨声速离心压缩机为基准模型。该压缩机为单级设计，压比为4:1。计算域包括三部分：包含进气管和叶轮入口的静止入口域；包含15个主叶片和15个分流叶片的旋转叶轮域；以及包含24个二维楔形叶片的静止带叶扩压器域。为了降低计算成本，数值模拟采用了120度扇形区域（1/3全周模型），包含5个叶轮通道和8个扩压器通道。
2. 计算网格与数值方法： 使用商业软件ANSYS TurboGrid生成高质量的结构化六面体网格。经过网格无关性验证，最终选定的网格总数约为970万。在壁面附近确保无量纲壁面距离y+小于1，以精确解析边界层。数值求解采用ANSYS CFX求解器，基于有限体积法求解三维非定常雷诺平均纳维-斯托克斯（Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes, URANS）方程、能量方程和理想气体状态方程。湍流模型选用在叶轮机械领域广泛验证且对流动分离预测较准确的k-ω SST模型。对流项离散采用混合了一阶和二阶精度的“高分辨率格式”。时间离散采用二阶后向欧拉格式，时间步长对应于叶轮旋转1度，以确保捕捉瞬态相互作用。
3. 边界条件与计算设置： 入口边界条件设为总压（101,325 Pa）和总温（288 K），出口为平均静压边界条件。叶轮域采用旋转参考系（Moving Reference Frame），转速为设计点转速21,789 rpm。叶轮与扩压器之间的交界面在非定常计算中采用“瞬态转子-定子”（Transient Rotor-Stator）界面模型，以准确传递非定常流动信息。研究对比了多种扩压器前缘倾角方案：原始的垂直前缘（α=0°），以及从轮毂到机匣（Hub-to-Shroud）的正倾角（α=+30°， +75°）和从机匣到轮毂（Shroud-to-Hub）的负倾角（α=-30°， -75°）。所有非定常模拟均在设计点工况（设计转速和质量流量4.536 kg/s）下进行。
4. 研究流程与数据分析： 首先，通过稳态模拟计算不同倾角方案在设计点的性能（压比和效率），并绘制-30°和+30°方案从堵塞点到失速点的完整性能曲线，以评估其对失速裕度的影响。失速裕度改进量通过特定公式计算。其次，在设计点进行非定常瞬态模拟，直至流场达到时间周期性稳定。然后，对非定常流场数据进行深入分析，包括：时间平均的流场 contours（压力、速度、熵产）、特定截面和线上的流场参数分布、叶片表面时间-空间压力分布图、以及基于Q准则（Q-criterion）的瞬态涡结构可视化。最后，在叶轮-扩压器间隙附近设置监测点，记录压力随时间的变化，并通过快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）计算声压级（Sound Pressure Level, SPL）频谱，分析叶片通过频率（BPF）噪声及其谐波的衰减情况，并计算总声压级（Overall SPL, OASPL）的变化。
本研究取得的主要结果如下：
1. 气动性能与失速裕度： 稳态模拟结果验证了先前研究的结论，即合适的倾角能改善性能。具体而言，在正倾角（Hub-to-Shroud）方案中，当α=+30°时，压缩机在设计点的性能提升了2.6%。性能曲线分析表明，-30°的负倾角会显著降低失速裕度，而+30°的正倾角则能有效扩大稳定工作范围。通过计算，+30°倾角带来了约3.88%的失速裕度提升，这是本研究的核心发现之一。流场分析揭示了原因：原始扩压器在近失速工况下，其喉部会出现高马赫数区和激波，导致损失；而+30°倾角方案消除了此激波，使压力在扩压器流道内平稳连续地上升。
2. 非定常流场特性： 时间平均流场图清晰地显示，+30°倾角方案在扩压器流道内获得了最高的静压恢复，并且在压力侧的流动分离区域最小，流场最为均匀。相反，-30°倾角方案则在扩压器内，特别是尾缘附近，存在明显的低速区和分离区。从轮毂到机匣的时均熵产分布图表明，+30°方案在轮毂压力侧的高熵产区域（对应分离损失）显著减小。叶片压力面的时均流线图进一步证实，+30°方案的压力面上未观察到回流或分离区，而其他方案则存在不同程度的分离。这证明Hub-to-Shroud倾角能有效混合低动量与高动量流体，推迟甚至抑制流动分离。
3. 瞬态压力波与涡结构演化： 对叶片表面中径处时间-空间压力分布的分析是本研究的一大亮点。结果显示，所有方案中都能清晰捕捉到由15个主叶片和15个分流叶片产生的压力波，其斜率代表了传播的对流速度。这些压力波是叶轮-扩压器相互作用产生离散噪声的直接体现。此外，在原始扩压器和负倾角方案的压力分布中，还观察到了另一种斜率不同的“分离压力波”，它们是由流道内非定常分离泡的运动和演化产生的。值得注意的是，在+30°倾角方案中，几乎没有观察到这种分离波，这表明其内部流动更为稳定。通过Q准则等值面展示的瞬态涡结构演化动画（文中以时间序列图呈现）直观显示，原始和负倾角方案中，扩压器压力侧前缘会周期性地产生分离涡并向下游发展；而在+30°方案中，这种分离结构被有效抑制。
4. 噪声频谱特性： 对监测点压力信号的频谱分析表明，在所有方案中，第一阶BPF（5.4 kHz）及其谐波（10.8 kHz）是占主导地位的离散峰值噪声，这验证了叶轮-扩压器相互作用是核心噪声源。关键的声学结果表明：应用+30°倾角后，第一阶BPF的声压级降低了7.6分贝，同时总声压级（OASPL）降低了5.74分贝。而+75°倾角虽然也降低了BPF噪声，但由于其流道内产生了更多非定常和分离流动，导致OASPL反而升高。负倾角方案（-30°， -75°）则未能有效降低BPF噪声和OASPL。这从声学角度证实了+30° Hub-to-Shroud倾角在降噪方面的优越性。
本研究的结论可概括为以下几点：首先，数值研究证实，在扩压器叶片前缘施加倾角是一种有效的设计手段。其中，从轮毂到机匣方向、角度为30°的倾角为最优方案。其次，该方案通过改善叶轮出口流场在展向的均匀性、有效抑制扩压器流道内的流动分离和二次流，不仅将压缩机设计点性能提升了2.6%，还将失速裕度扩大了3.88%。最后，该方案通过减弱叶轮-扩压器间强烈的非定常相互作用，以及消除由分离泡运动产生的额外压力脉动，成功地将第一阶叶片通过频率（BPF）噪声降低了7.6 dB，总声压级（OASPL）降低了5.74 dB。因此，这种倾斜前缘设计实现了气动性能与声学性能的双重优化。
本研究具有重要的科学与应用价值。在科学层面，它深入揭示了扩压器几何微调（前缘倾角）如何通过改变非定常流场结构来同时影响离心压缩机的宏观气动性能和微观噪声生成机制，建立了几何-流场-噪声之间的清晰联系。在工程应用层面，它提出了一种相对简单、易于制造的扩压器叶片优化方案。与制造复杂的锥形叶片或修改叶轮相比，仅改变前缘倾角更具成本效益和实用价值，为设计高效率、低噪声、宽工作范围的先进离心压缩机提供了直接的理论依据和设计指导。
本研究的亮点在于：第一，研究目标具有明确的工程导向，即同时优化多个关键性能指标（效率、失速裕度、噪声）。第二，采用了系统的多方案对比研究（正/负倾角，不同角度），并综合运用了稳态与非定常CFD模拟，分析手段全面，从时均性能到瞬态流场再到频谱特性，层层深入。第三，对时间-空间压力分布和瞬态涡结构的分析非常细致，直观地展示了不同方案下非定常相互作用和分离结构的差异，为性能差异提供了深刻的流动物理解释。第四，将流场分析结果与声学频谱分析直接关联，定量地评估了几何修改对噪声的衰减效果，使研究结论更具说服力。这些亮点共同构成了一项完整、深入且具有实用价值的叶轮机械气动声学优化研究。