NASA关于动态进气道畸变对压气机稳定性影响的模拟研究报告
本报告旨在介绍一篇发表于1977年5月的NASA技术备忘录（NASA TM X-3522），题为“应用于并联压气机模型的动态进气道畸变分析（Analysis of Dynamic Inlet Distortion Applied to a Parallel Compressor Model）”。该研究由位于俄亥俄州克利夫兰的Lewis研究中心的Leon M. Wenzel和Ronald J. Blaha完成，是一份详细的、基于模拟计算机仿真实验的原始研究报告。以下是关于此项研究的综合性学术报告。
一、 作者与发表信息 本项研究的主要作者为Leon M. Wenzel和Ronald J. Blaha，他们均来自美国国家航空航天局（NASA）下属的Lewis研究中心（现为Glenn研究中心）。研究以NASA技术备忘录（Technical Memorandum）的形式发布，报告编号为NASA TM X-3522，于1977年5月由NASA在华盛顿特区出版。报告编号中还包含内部工作单元代码505-05和Lewis研究中心报告号E-8979。作为一份政府技术报告，其内容属于非保密（Unclassified）级别，向公众公开。
二、 学术背景与研究目的 本研究的核心科学领域是航空发动机压气机的气动稳定性，具体聚焦于进气道畸变（Inlet Distortion） 对压气机喘振（Surge） 边界的影响。进气道畸变指的是进入发动机的空气在压力、温度或速度上存在不均匀分布，这在战斗机大迎角机动、舰载机起降或遇到大气湍流等实际飞行条件下经常发生。这种畸变会严重降低压气机的稳定工作裕度，可能诱发喘振等不稳定现象，威胁飞行安全。
在当时，针对稳态（Steady-State）畸变影响的研究已取得一定进展，特别是并联压气机模型（Parallel Compressor Model） 理论已被证明能较好地预测稳态畸变下的压气机性能。然而，实际飞行中遇到的畸变往往是动态的、非定常的（Unsteady）。当时的研究模型大多无法处理瞬态畸变，因为模拟动态过程需要巨大的计算资源（当时数字计算机能力有限），或者模型本身不具备处理瞬态流动的能力。因此，研究者对于压气机如何响应不同频率、持续时间、波形和空间范围的动态压力扰动，以及如何从实验数据中提取有效的畸变描述参数（失真指数，Distortion Index），缺乏深入的理解。
本研究的主要目的正是填补这一知识空白。其具体目标包括：1）评估压气机对不同类型动态进气道压力扰动的敏感性；2）研究稳态畸变与动态畸变的叠加效应；3）探究扰动空间范围（周向畸变范围，Circumferential Extent of Distortion）的影响；4）考察发动机转速和操作点（Operating Point，即距离喘振线的远近）的影响。最终，这些研究成果旨在为实验数据处理提供理论指导，特别是为用于畸变分析的进气道压力数据滤波器设计提供依据，从而更准确地关联进气道压力畸变与压气机喘振压力比的损失，提升发动机进气相容性预测能力。
三、 研究方法与详细流程 本研究并非基于实体发动机或压气机试验台，而是采用了模拟计算机（Analog Computer） 仿真实验的方法。研究团队构建了一个并联压气机模型（Parallel Compressor Model） 来模拟J85-13发动机的压气机。该模型的独特之处在于它结合了两种不同的压气机建模方式，以实现处理动态畸变的能力。
首先，研究构建了一个包含两个“并联”压气机的模拟系统。一个压气机采用“逐级堆叠模型（Stage by Stage Model）”，该模型之前已得到实验验证（参考文献4）。它将压气机分为若干级，每一级都通过动量、连续性和能量方程来描述其稳态性能和级间气体体积的动态响应（即压力传播和流体惯性的时间效应）。这个模型能够较真实地模拟压气机的内部流动过程和瞬态响应，但其计算复杂度高，需要大量的模拟计算元件。另一个“并联”的压气机则采用一个简化的总体性能图（Overall Compressor Map） 来模拟，该图仅代表稳态性能，不包含任何动态效应。两个压气机的出口流量汇入一个共同的燃烧室容积（Burner Volume），该容积通过一个阻塞喷管（Choked Orifice）排气。燃烧室容积内的压力由连续性方程描述，并假设其内部压力均匀（这一假设得到了报告图1所引用的J-85发动机实验数据的支持）。通过调整两个压气机对燃烧室压力的贡献系数，可以模拟不同周向范围的进气道畸变（例如，扰动仅作用于压气机进口的90°、180°或270°扇形区域）。模型示意图见报告图2。
整个研究的流程遵循一个统一的模式： 1. 设定稳态工况：首先，将并联压气机模型运行在一个稳定的初始状态。设定进气道平均压力为1个大气压，并固定所需的发动机转速（如100%或80%额定转速）、畸变范围（θ）以及稳态畸变水平。稳态畸变是通过降低进入“逐级模型”压气机的平均进气压来实现的。 2. 施加动态扰动：然后，向“逐级模型”压气机的进气道压力施加一个动态扰动（脉冲、随机噪声或正弦波）。扰动的空间范围已在第一步设定。 3. 确定喘振边界：在连续多次测试中，逐渐增大动态扰动的幅度（对于脉冲是峰值，对于噪声是增益，对于正弦波是振幅），直到模型发生喘振。在本研究中，喘振被定义为模拟计算机中出现不可恢复的过载，表现为模型内部流动参数（如流量）出现发散振荡并变为负值。较小的扰动会被阻尼掉，模型会返回稳态。 4. 记录边界条件：记录下刚好引起喘振的动态扰动参数（幅度、频率、持续时间等），以及对应的稳态条件。这样就得到了一个“喘振”与“不喘振”的边界点。
研究测试了多种动态扰动，以系统性地探究各个参数的影响： * 单脉冲（Single Pulses）：这是分析性最强的扰动，便于比较。测试了三角形、矩形和半正弦三种波形，持续时间从极短的0.0001秒到较长的0.1秒（“长”脉冲）。研究考察了脉冲波形、持续时间、畸变范围、叠加稳态畸变、发动机转速和操作点的影响。 * 随机噪声（Random Noise）：使用白噪声发生器产生宽带噪声（16至3000赫兹），然后通过一个一阶低通滤波器来改变其频率成分。将噪声信号录制在磁带上，以便重复使用相同的扰动序列进行测试。通过改变滤波器的截止频率和增益，研究压气机对不同频率成分噪声的敏感性。记录了从扰动开始到喘振发生期间噪声信号的均方根（Root-Mean-Square, RMS） 值。 * 正弦扰动（Sinusoidal Perturbations）：施加连续的正弦压力波动，频率范围从10赫兹到超过1000赫兹，扰动的范围覆盖压气机进口的1/4、1/2或全部面积。
数据分析主要基于对这些“喘振边界”条件曲线的绘制和解释。通过比较不同参数下的曲线变化，推导出压气机的动态响应特性。研究没有涉及复杂的统计或数学分析，核心在于对模拟实验结果的物理解释。
四、 主要研究结果 研究得出了多方面详实的结果，为理解压气机对动态畸变的响应提供了深刻见解。
关于单脉冲扰动： 1. 脉冲持续时间与形状的影响：报告图3展示了在100%转速、180°畸变范围、无稳态畸变条件下，三种脉冲波形引发喘振所需的幅值与持续时间的函数关系。 * 对于所有波形，当脉冲持续时间小于约0.002秒时，引发喘振所需的脉冲幅值随持续时间缩短而增加。这是因为压气机内部的级间容积和流体动量对短脉冲具有衰减作用。 * 对于持续时间很长的半正弦和三角形脉冲，所需幅值也会增加。这是因为燃烧室压力有足够时间“跟随”缓慢变化的进气道压力，从而降低了压气机的压比，使得引发喘振需要更大的扰动。 * 对于矩形脉冲，在持续时间超过0.002秒后，所需幅值基本恒定，因为喘振是由脉冲的前沿部分触发的。 * 在持续时间0.0001至0.001秒的范围内，对于给定的持续时间，引发喘振所需的三种脉冲的面积（Area） 近乎相等（报告通过数学推导和平均值得出面积比值接近1）。这表明在此时间范围内，压气机对脉冲的面积比对形状更敏感。
畸变范围的影响：报告图6（平均进气压不恒定）和图7（平均进气压恒定）展示了不同畸变范围（90°, 180°, 270°）的影响。
稳态与动态畸变的叠加效应：报告图8显示了在180°畸变范围内，叠加不同水平的稳态畸变（用稳态畸变指数 DIST_ss 表示）对引发喘振所需的动态脉冲幅值的影响。结果显示，叠加稳态畸变会线性地降低引发喘振所需的动态扰动水平。更重要的是，图9将数据归一化处理后表明，归一化的动态畸变参数与归一化的稳态畸变指数之和约等于1，呈现线性相加关系。这一关系对三角形脉冲、随机噪声扰动以及在80%和100%两种转速下都成立。这是构建设计畸变指数（Distortion Index）的核心依据。
发动机转速和操作点的影响：报告图10和图11分别展示了转速和操作点的影响。
关于随机噪声扰动： * 报告图13和14显示，随着噪声信号频率含量的降低（即滤波器截止频率减小），引发喘振所需的系统增益增加。在低频段，引发喘振所需的噪声均方根值相对平坦（图14），意味着压气机对不同低频噪声的敏感性相近。随着频率增加（高于一定值），所需的均方根值增大，表明压气机对高频扰动敏感性降低。 * 观察发现，在1秒的测试中，喘振总是在少数几个离散时刻被触发。示波器记录显示，在这些时刻出现了大的负压力峰值（Large Negative Pressure Excursion）。这表明，即使是宽带随机噪声，喘振也是由离散的大幅负压事件引发的。
关于正弦扰动： * 报告图15展示了在不同畸变范围下，引发喘振所需的正弦波幅值与频率的关系。 * 在低频区，曲线因燃烧室压力跟踪效应而分开（与长脉冲行为一致）。 * 在中频区，不同范围所需的振幅差异不大。 * 在高频区，曲线再次分开，且行为与短脉冲不同。这归因于“逐级模型”压气机的非线性：正弦进气扰动导致其出口平均流量降低，从而降低了燃烧室压力和操作点，提供了额外的喘振裕度，因此需要更大的扰动才能引发喘振。这个效应在扰动范围更大时更明显。
五、 研究结论与价值 本研究的结论可总结为以下几点，这些结论对进气畸变分析和实验数据处理具有重要指导意义： 1. 压气机敏感性图谱：明确了压气机模型对不同时间尺度扰动的敏感性：对持续时间极短（<0.002秒）或频率很高的扰动敏感性较低；对持续时间很长（燃烧室压力可响应）的扰动敏感性也较低；对中等时间尺度（如0.001-0.01秒）的扰动最为敏感。 2. 扰动面积敏感性：对于短持续时间脉冲（≤0.001秒），压气机响应更依赖于脉冲面积而非具体形状。 3. 平均压力重要性：对于低频或长持续时间扰动，平均进气道压力的变化必须纳入畸变分析。 4. 线性叠加原理：稳态畸变和动态畸变以线性相加的方式共同降低喘振裕度。这是构建有效综合畸变指数的重要理论基础。 5. 操作点关键作用：压气机操作点距离喘振线的远近（喘振裕度）对耐受动态扰动的能力有决定性影响。 6. 事件触发机制：在随机噪声环境下，喘振由离散的大幅负压扰动事件触发。 7. 滤波器设计启示：为了从进气道压力数据中提取与压气机稳定性最相关的信息，设计滤波器时应使其频率加权特性与压气机的动态响应特性互补（即对压气机不敏感的频率成分给予衰减，对敏感的频率成分予以保留或增强），而不是使用简单的低通滤波器。
本研究的科学价值在于，首次通过一个结合了详细动态模型和并联压缩机概念的模拟仿真系统，系统地、量化地揭示了压气机对各类动态进气道畸变的响应规律，特别是发现了稳态与动态畸变的线性叠加关系，深化了对进气相容性物理机制的理解。其应用价值直接指向更合理的发动机进气畸变试验数据分析和评估方法，为开发更精确的、适用于动态环境的畸变描述符和预测模型提供了关键依据，有助于提升发动机设计的稳定性和飞行安全性。
六、 研究亮点 1. 方法创新：研究创造性地在模拟计算机上构建了一个混合并联压气机模型，其中一个为高保真的动态逐级模型，另一个为简化的稳态模型。这种方法在当时的计算条件下，巧妙地平衡了模型精度与实现动态畸变模拟可行性之间的矛盾，是该研究得以成功的关键。 2. 系统性参数研究：研究设计并执行了极其系统化和全面的参数测试计划，涵盖了脉冲（波形、时长）、噪声（频率含量）、正弦扰动（频率、范围）等多种扰动类型，以及转速、操作点、稳态畸变水平等多个环境变量，从而能够绘制出完整的压气机动态响应图谱。 3. 关键物理机制揭示：研究明确揭示并区分了影响动态响应的几个关键物理机制：级间容积/动量衰减（短时脉冲）、燃烧室压力跟踪（长时/低频扰动）、以及模型非线性导致的平均流量偏移（高频正弦扰动）。这些机制的阐释具有重要的理论价值。 4. 线性叠加关系的发现：研究通过大量数据证实了稳态与动态畸变参数在影响喘振裕度上存在线性相加关系。这一简洁而强有力的结论，为工程上处理复杂畸变问题提供了重要的简化依据和理论基石。
七、 其他有价值内容 报告在附录中提供了完整的符号列表（Appendix - Symbols），定义了研究中使用的所有变量和下标，确保了报告的严谨性和可读性。同时，报告引用了多篇重要的相关文献（References 1-7），涵盖了并联压气机理论、逐级压气机模拟、频率响应实验以及非定常流动实验装置等方面，为读者深入了解该领域的研究脉络提供了清晰的指引。此外，报告中包含的大量图表（Figure 1-15）直观地展示了模型结构、实验数据、喘振边界曲线和瞬态响应记录，是理解研究结果不可或缺的部分。报告末尾也指出了本模拟研究结果在高频部分尚缺乏实验验证的局限性，并提到了参考文献7中可用于部分验证的扰动发生装置，体现了研究的客观性和前瞻性。