本研究的作者是韩国大学机械工程学院的Ali Zamiri、Byung Ju Lee和Jin Taek Chung，通讯作者为Jin Taek Chung。这篇题为《Numerical evaluation of transient flow characteristics in a transonic centrifugal compressor with vaned diffuser》的研究论文发表于《Aerospace Science and Technology》期刊第70卷（2017年），具体刊印时间为2017年8月10日在线发表。
本研究属于流体力学与叶轮机械工程领域，具体聚焦于透平机械内部复杂非定常流动的数值模拟与机理分析。离心压缩机因其高压比和高效率，在发电、天然气系统和航空推进等工业领域扮演着关键角色。其中，带叶片扩压器（vaned diffuser）的设计能够实现更高的级压比和更紧凑的结构，从而提升整机效率。然而，叶轮与扩压器叶片之间的相互作用会导致流道内产生非定常、非均匀的复杂流动，这种流动不仅会引发振动、增加气动损失，还是压缩机噪声（尤其是叶片通过频率噪声）的主要来源。尽管已有大量实验和数值研究关注离心压缩机性能，但对于带叶片扩压器内部详细的非定常流动结构，特别是周向压力波动、熵产分布以及压力波在时空域内的传播特性的研究尚不充分。本研究旨在填补这一空白，通过高精度的非定常数值模拟，深入探究高压比、跨音速离心压缩机在设计点工况下，叶轮和叶片扩压器流道内的瞬态流动特性、压力波动机制及其与噪声产生的关系，最终目标是为提升压缩机效率和降低噪声提供理论依据和预测工具。
研究的工作流程严谨而系统，主要包含以下几个关键步骤： 首先，研究者建立了高保真的数值计算模型。计算对象基于美国国家航空航天局格伦研究中心的CC3离心压缩机级，该压缩机设计压比为4:1，转速为21789 rpm。计算域完整包含了进气喇叭口、带有分流叶片（splitter blades）的叶轮（15个主叶片+15个分流片）以及一个二维楔形叶片扩压器（24个叶片）。为平衡计算精度与成本，研究采用了120度扇形周期模型（包含5个叶轮通道和8个扩压器通道），而非全周模型。计算网格为高质量的结构化与非结构化混合网格，在叶轮和扩压器流道内采用了总计约892万个网格单元的结构化六面体网格，并在固体壁面附近进行了精细加密，确保第一层网格的无量纲壁面距离y+小于1，以精确捕捉边界层效应。扩压器出口在径向上进行了延长，以最小化出口边界条件对流场的影响。 其次，研究者进行了详尽的数值方法验证与参数敏感性研究。这是确保后续非定常分析结果可靠性的基石。该部分包含三个主要验证环节：1. 网格无关性验证：对比了粗、中、细三种网格分辨率下计算得到的总压比和效率，并与实验数据比较。结果显示，中等网格（约892万单元）的结果与实验值吻合良好，且进一步加密网格对结果影响甚微，网格收敛指数（GCI）表明数值不确定性小于1%。因此选定中等网格用于所有计算。2. 湍流模型验证：对比了k-ε和k-ω SST两种湍流模型。结果表明，k-ω SST模型在预测扩压器内分离流方面更为准确，其计算的总压比和效率与实验值更接近，而k-ε模型则存在高估。因此研究采用了k-ω SST湍流模型进行封闭。3. 性能曲线与流场验证：通过在多个工况点（包括近喘振区和近堵塞区）进行稳态模拟，获得了压缩机的性能曲线（压比和效率随流量变化），其趋势和量级与实验数据高度一致。此外，还将非定常模拟的时间平均流场（如无叶区速度剖面）与激光测速实验数据进行了对比，结果显示在预测流型方面吻合良好。这些验证工作全面确保了所采用的非定常雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）方法、网格策略和湍流模型对于捕捉本研究关注的复杂非定常流动具有足够的可信度。 接着，研究进入核心的非定常流动数值模拟与分析阶段。在完成稳态计算获得初场后，在压缩机设计点进行了非定常瞬态模拟。求解器采用ANSYS CFX v16.2，求解三维可压缩URANS方程和能量方程。在叶轮-扩压器交界面采用了瞬态转子-静子模型，以精确模拟叶片间的相对运动。时间步长对应于叶轮旋转3度的角度增量。模拟持续进行直至流场波动呈现周期性，确保了所分析瞬态结果的代表性。基于此高可信度的非定常流场数据，研究者展开了细致入微的流动机理分析，主要围绕叶轮流道内部流动和扩压器流道内部流动两大区域展开，并辅以频谱特性分析。
关于叶轮流道内部的流动，研究揭示了以下主要结果：1. 熵产与涡量分布：时间平均的熵产和涡量云图显示，流动在主叶片和分流片通道内分布相似，但在分流片吸力侧和主叶片压力侧之间的区域（靠近机匣处）熵产更高，这是由于主叶片和分流片两个叶尖间隙导致的损失叠加所致。沿流向，高熵产区域（高损失区）向下游扩展，这是由叶轮流道内叶尖涡的发展导致的。通过速度梯度第二不变量Q准则的等值面，清晰地捕捉到了瞬态的叶尖涡和马蹄涡结构，证实叶尖涡是增加叶轮内部损失的重要来源之一。2. 叶片表面压力波动：在主叶片和分流片表面的中径面上，绘制了静态压力（以进口静压归一化）随时间和弦长位置变化的时空云图。结果显示，在弦长方向0至0.4的区域，压力波动较小；而向尾缘靠近时，压力波动的非定常性（云图中的波形）和静压幅值（红色区域）均显著增加。这归因于流道内的流动分离、尾缘尾迹效应以及叶轮-扩压器相互作用。特别值得注意的是，在靠近尾缘的区域，出现了类似驻波的高低压波动交替分布，其波数为24，恰好等于扩压器叶片数，这直接证明了叶轮-扩压器相互作用产生的压力波传播到了叶轮叶片表面。
关于扩压器流道内部的流动，研究获得了更为丰富和创新的发现：1. 时均流动与分离：不同展向位置的时间平均流线角云图显示，在90%叶高位置，扩压器叶片压力侧未发生分离；但随着向轮毂靠近，进口流角减小，在40%叶高位置，压力侧前缘出现了流动分离。这证实了流动的三维分离特性。2. 瞬态压力脉动与分离气泡：通过展示一个完整叶片通过周期内不同时刻中径面上的瞬时静压云图，研究清晰地揭示了扩压器喉部附近的压力脉动。这种脉动是由于叶轮尾缘尾迹被扩压器前缘切割、并向下游传播所引起的。更重要的是，云图中用虚线圆圈标出了由叶轮-扩压器相互作用在扩压器喉部产生、并由压力侧边界层发展的脉动分离气泡。这些气泡周期性地分离和再附着，并随着叶轮旋转向下游对流。通过Q准则等值面动画，直观地展示了这些分离气泡的动态演变过程。3. 压力波在时空域内的传播：这是本研究的一个突出亮点。研究首次在带叶片扩压器的叶片表面压力时空云图中，清晰捕捉并区分了两种不同类型的压力波传播。第一种是叶片压力波：在扩压器叶片压力侧和吸力侧的时空压力云图上，从前缘到尾缘可以观察到清晰的、斜率较陡的压力波。压力侧有15个清晰的主波（对应15个主叶片），其间穿插着15个幅值较小的波（对应15个分流片）。波的斜率代表了其对流速度。这些波是由叶轮叶片尾缘与扩压器前缘相互作用产生的压力扰动，在跨音速区域传播。第二种是分离压力波：在压力侧云图中，还观察到了两个斜率明显更缓的压力波（文中用箭头标出）。这些波与上述脉动分离气泡的伪周期性运动（剪切层的摆动、气泡的聚集与扩大）相关联，发生在亚音速流动区域。两种波斜率的不同直观反映了它们对流速度的差异。4. 熵产波传播与流动再激励：瞬时熵产云图序列显示，低熵产区域（高动量流）以波形形式周期性地从扩压器喉部产生并向下游传播。这种非定常性有助于对压力侧低动量流进行“再激励”，影响了分离和再附着过程。
在频谱特性分析部分，研究在叶轮-扩压器交界面中径面处设置监测点，采集压力波动信号并进行快速傅里叶变换（FFT）。频谱分析结果显示，压力波动的主要能量集中在叶片通过频率（BPF，第一谐波5.4 kHz）及其二次谐波（10.8 kHz）上，更高阶的谐波由于流体的耗散效应而减弱。这证实了压缩机近场噪声的主频特性主要由叶轮-扩压器相互作用决定。
基于以上详尽的数值模拟与分析，本研究得出以下结论：1. 叶轮主叶片和分流片的叶尖涡相互混合与干扰，增加了叶轮流道内的非定常性和分离。压力波动沿叶轮叶片流向增强，在尾缘达到峰值。2. 扩压器流道内的压力和熵产分布时间历程，证实了由叶轮-扩压器相互作用引起的周期性流动非定常性。3. 首次在叶片表面压力时空云图中清晰可视化了两种不同对流速度的压力波：快速的叶片相互作用压力波和缓慢的分离气泡诱导压力波，这为了解扩压器内复杂的非定常流动物理机制提供了全新视角。4. 扩压器通道内的非定常熵产表明，叶轮输入能量的非定常性有助于对压力侧低动量流进行再激励。5. 交界面的压力波动频谱预测了BPF及其二次谐波是主导的波动频率，即主要的单音噪声来源。本研究的科学价值在于，通过高精度的URANS模拟，深入揭示了高压比跨音速离心压缩机叶片扩压器内极其复杂的非定常流动结构、波动产生机制及其与气动噪声的关联，增进了对该类机械内部流动的物理理解。其应用价值在于，证实了采用合适的湍流模型和充分加密网格的URANS方法，不仅可以用于预测离心压缩机的气动性能，还能作为一种有效的工具来预测其单音噪声特性，为基于数值模拟的压缩机低噪声设计与优化提供了方法论支持和深入见解。
本研究的亮点主要体现在以下几个方面：1. 研究对象的特殊性：针对的是高压比（4:1）、跨音速、带楔形叶片扩压器的离心压缩机，这种配置在高性能应用中常见但内部流动极为复杂。2. 方法论的系统性与严谨性：进行了全面细致的网格无关性、湍流模型、性能曲线和流场验证，为后续非定常分析的可靠性奠定了坚实基础。3. 发现的创新性：首次在带叶片扩压器的研究中，通过时空域压力云图清晰区分并展示了由叶片相互作用和伪周期分离气泡产生的两种不同速度的压力波传播，这是对扩压器内部非定常波动物理图像的重要丰富和可视化贡献。4. 分析的深度与广度：不仅关注宏观性能，更深入探究了熵产、涡量、Q准则涡结构、表面压力波动、分离气泡动态、频谱特性等多维度信息，对叶轮和扩压器内部的流动损失机制、非定常源及其传播进行了全面剖析。5. 明确的工程应用指向：将非定常流动分析与噪声频谱特性直接关联，明确了URANS方法在预测气动噪声方面的潜力，为工程实际中的减振降噪设计提供了理论依据和实用工具预测前景。