本文由Jia-Hui Qiu（邱佳慧，中国科学院工程热物理研究所数字孪生研究中心/中国科学院大学）、Hong-Liang Zhao（赵红亮，华北电力大学能源动力与机械工程学院）、Juan Du（杜娟，中国科学院工程热物理研究所数字孪生研究中心/中国科学院大学，通讯作者）、Min Zhang（张敏，中国科学院工程热物理研究所数字孪生研究中心/中国科学院大学）、Wen-Qiang Zhang（张文强，北京理工大学机电学院）和Zhong-Gang Fan（范忠岗，中国科学院工程热物理研究所数字孪生研究中心/中国科学院大学）共同完成，发表于2023年12月12日的《Physics of Fluids》期刊，论文标题为《Stall and stability enhancement mechanisms of transonic compressor with inlet total temperature distortion》。

本研究属于流体力学与航空宇航推进领域，特别是叶轮机械（Turbomachinery）的稳定性研究。研究背景在于，航空发动机在实际飞行中会遭遇各种进气畸变（Inlet Distortion），其中进气总温畸变（Inlet Total Temperature Distortion）是影响发动机稳定工作裕度（Stall Margin）的最显著外部因素之一。这种畸变可能由推力反向器排气再吸入、武器热燃气吸入、垂直起降、舰载机弹射蒸汽吸入、空中加油等多种复杂工况引起。进气总温畸变会导致压气机性能恶化，严重时可能引发发动机失速乃至结构损坏。尽管过去的研究多关注由总压畸变引发的温度畸变，但针对纯总温畸变本身对压气机失速机制及稳定性增强措施的研究仍不充分。因此，本研究旨在通过全环非定常数值模拟，深入探究纯进气总温畸变对跨音速压气机失速过程的影响机理，并验证和阐明机匣处理（Casing Treatment, CT）在总温畸变条件下的抗畸变能力及稳定性增强机制，为在畸变环境下保障压气机稳定工作的设计提供理论指导。

本研究的工作流程主要分为四个阶段，涉及研究对象的数值建模与验证、总温畸变影响分析、失速机制探究以及机匣处理效果评估。研究以Darmstadt跨音速压气机（也称为TU Darmstadt公开测试台或Tuda-GLR-OpenStage）为对象，它是一个单级轴流式高压压气机，包含16个转子叶片和29个静子叶片。

首先，在第一阶段，研究团队建立了高精度的数值仿真模型。他们使用商业求解器ANSYS CFX，采用标准k-omega湍流模型进行稳态和非稳态计算。非稳态计算采用滑动网格法，每个转子叶片通道周期设置80个时间步长。为了确保计算准确性，研究人员进行了详细的网格无关性验证。他们比较了粗、中、细三套网格方案，基于Richardson外推法计算了网格收敛指数（GCI）。结果显示，中等密度网格（单通道约247万个节点）在计算精度和成本之间取得了良好平衡，其预测的压气机总压比和等熵效率与实验数据吻合良好。在100%转速峰值效率点，总压比和效率的相对误差分别仅为0.75%和0.54%。此外，研究人员还对比了数值模拟与实验在不同工作点（近堵塞点和近失速点）下压气机出口参数（总压比、总温比）的径向分布，以及在转子叶尖99.9%叶高处的静压分布。结果表明，数值模拟能够准确捕捉激波结构、叶尖泄漏流（Tip Leakage Flow）的发展等关键流动特征，证明了模型在均匀流场下的可靠性，从而为模拟总温畸变下的复杂流动奠定了基础。

其次，在第二阶段，研究在已验证的数值模型基础上，施加了特定参数的总温畸变。模拟的总温畸变设置为周向180度范围、强度500K的高温区（区域温度500K，其余区域295K），强度指标ΔT_c/T达到0.25，符合真实短距/垂直起降（STOVL）飞机热燃气再吸入（Hot-Gas Re-ingestion, HGR）的典型工况。研究人员进行了全环非定常模拟，以研究该畸变对压气机性能的影响。他们对比了在100%设计转速下，均匀进气与总温畸变进气条件下的压气机特性曲线（总压比、效率随流量变化的曲线）。性能对比显示，总温畸变导致压气机的稳定工作裕度（Stall Margin）从均匀进气时的22.7%显著下降到17.0%，降幅达33.4%。同时，总压比也出现明显下降。分析表明，高温区域质量通量（Mass Flux）降低但轴向速度升高，这改变了压气机的局部做功能力，从而解释了性能恶化的原因。为了捕捉失速起始（Stall Inception）的时空位置，研究采用了小波分析（Wavelet Analysis）方法。他们在转子前缘上游约10%转子轴向弦长处、99%叶高的圆周上均匀布置了12个静压探针。通过对这些探针采集的非稳态压力信号进行连续小波变换（使用Morlet小波基），可以清晰地识别出失速起始的时刻、频率和传播速度。分析发现，失速起始首先出现在转子叶片即将进入高温畸变区域的位置（探针CH11处）。失速起始扰动呈现“尖峰型”（Spike Type），其周向传播速度约为转子转速的87.1%，而随后形成的失速胞（Stall Cell）的周向传播速度约为转子转速的66%，高于均匀进气条件下的44%。

接着，在第三阶段，研究深入探究了总温畸变下失速起始的物理机制。通过分析转子入口截面的流动参数，研究人员发现，总温畸变除了温度不均匀外，还会诱发显著的涡流畸变（Swirl Distortion）。具体表现为，在高温区入口，绝对气流角（Absolute Flow Angle）的变化导致转子叶片相对气流角（Relative Flow Angle）在即将进入高温区时达到最小，而在进入高温区后，由于进气绝对气流角发生反转（逆转子旋转方向），叶片攻角（Incidence Angle）急剧增大至最大值。这是导致该区域流动首先恶化的关键原因。结合对失速起始时刻（S点）流场的可视化分析，可以观察到在转子进入高温畸变区的瞬间，叶尖区域形成了明显的径向涡结构，即所谓的“龙卷风涡”（Tornado-like Vortex）。同时，叶片吸力面前缘的极限流线（Limiting Streamlines）变得紊乱，表明流动分离加剧。在98%叶高截面，可以清晰地看到在高温畸变区域内，叶尖低速区急剧扩大，并出现了前缘溢流（Leading-Edge Spillage）和尾缘回流（Trailing-Edge Backflow）现象，这些是尖峰型失速起始的典型特征。小波分析也揭示该初始失速扰动占据约5-7个叶片通道。这些结果从流动机理上解释了为什么失速起始总是发生在转子进入高温区的时刻。

最后，在第四阶段，研究评估了机匣处理（CT）在总温畸变条件下的稳定性增强效果。研究团队采用了一种先前通过自动优化平台设计的优化轴向开槽机匣处理方案，该方案每叶片通道有4个倾斜57度的轴向槽。首先，在均匀进气条件下验证了该机匣处理的性能，结果表明其在设计转速下能将转子稳定裕度提高12.28%，且对效率的负面影响可忽略不计。然后，研究团队对总温畸变条件下加装机匣处理的转子进行了全环非定常模拟。结果首次证实，即使面临效率下降0.71%的代价，该机匣处理在设计转速下仍能将转子在总温畸变条件下的稳定裕度提高7.20%，展现了其抗畸变能力。为了阐明其增强稳定性的机理，研究人员对比分析了在无处理机匣（Smooth Casing, SC）的近失速点，加装与未加装机匣处理时的流场。分析发现，机匣处理的“抽吸效应”（Suction Effect）可以显著延缓叶尖泄漏流的溢流，将激波明显推向叶片通道内部，并大幅减小高温畸变区叶尖的低马赫数区域，从而消除部分通道堵塞。同时，机匣处理的“喷射效应”（Injection Effect）会在转子前缘引入一个高熵区。更重要的是，通过分析转子出口截面的总压分布和展向角动量变化，研究发现机匣处理改变了转子叶片负荷的展向分布。具体而言，它降低了叶尖区域的叶片负荷，同时增加了80%叶高以下区域的叶片负荷。这种载荷再分配使得在总温畸变条件下，加装机匣处理的转子在失速起始点仍能保持比无处理机匣更高的总压比。此外，研究指出机匣处理对畸变区和非畸变区的稳定性增强效果几乎相同。

本研究的结论主要包括以下几点：第一，进气总温畸变会显著恶化跨音速压气机的稳定工作裕度，失速类型仍为尖峰型，但失速胞传播速度更快。第二，失速起始发生在转子进入高温区的时刻，其根本原因是总温畸变诱发的涡流畸变导致该区域叶片攻角急剧增大，从而引发强烈流动分离和龙卷风涡的形成。第三，优化的机匣处理在均匀进气条件下能有效扩展稳定裕度且效率友好；在总温畸变条件下，其抗畸变能力得到首次验证，虽然效率略有损失，但能显著提升稳定性。第四，机匣处理的稳定性增强机制在于其抽吸效应能够延迟泄漏流、推入激波、消除堵塞，并通过改变叶片负荷的展向分布来实现。

本研究的价值在于：科学上，它首次系统揭示了纯进气总温畸变（而非由压力畸变诱发）对压气机失速起始和传播的详细影响机理，深化了对复杂进气条件下压气机稳定性物理的理解。应用上，它验证了特定设计的机匣处理技术能够有效抵抗总温畸变，为未来航空发动机应对热燃气吸入等极端工况的压气机稳定性设计提供了明确的技术路径和理论依据。同时，研究指出的机匣处理改变载荷分布的现象，也为未来与静子叶片协同优化设计开辟了新的潜在空间。

本研究的亮点在于：第一，研究问题聚焦于较少被深入研究的纯总温畸变，具有明确的工程背景和学术前沿性。第二，采用高精度全环非定常数值模拟结合先进的小波分析技术，精准捕捉并解析了瞬态、非定常的失速起始过程。第三，不仅分析了畸变的危害，更进一步研究并阐明了机匣处理这一主动控制措施在总温畸变条件下的有效性及作用机理，形成了“问题分析-解决方案-机理阐释”的完整研究链条。第四，研究流程严谨，从模型验证到机理分析，层层递进，数据支撑充分。