摘要
高效率、宽稳定运行范围是现代离心压气机追求的目标，深入挖掘离心压气机内流场非定常流动特征是提高其气动性能及流动稳定性的重要基础。为了从动力学角度揭示压气机的非定常流动对气动性能的影响机理，明确影响压气机流动稳定性的关键因素，本文采用改进的模态分解方法探索离心压气机非定常流场的新现象。基于离心压气机流场特征的复杂性及传统分解方法的不足，对本征正交分解方法(Proper Orthogonal Decomposition,POD)进行改进，提出了单频的模态分解方法(Single-Frequency Proper Orthogonal Decomposition,F-POD)。以单频模态分解方法为主并结合多种流场分析方法，对离心压气机流场中的动静干涉、间隙效应、激波等非定常结构的模态特征及物理含义进行了逐层剖析，进而结合主模态的能量转移，提炼了与压气机稳定性相关的扰动模态并明确其发展演化的内在驱动因素。 首先以具有离散频率和增长率等物理特征的解析函数研究POD和动力模态分解方法(Dynamic Mode Decomposition,DMD)的数学性质及物理阐释。POD方法从能量的角度将流场分解为不同能级结构，各阶模态均具有耦合频率特征；DMD方法则能获得流场的单频模态结构，然而模态增长率信息拟合存在偏差。为了实现对压气机非定常流场单频结构及增长率特征的准确提取，结合傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)及其逆运算对POD方法进行了两步改进。初步改进通过对POD模态的单频分解和重构得到了单频模态分解方法，进一步改进提出了主频邻域内重构方法，实现了对单频模态增长率信息的准确提取，最终提出了F-POD方法。采用不同增长率、多重频率的解析函数及经典圆柱绕流算例对F-POD方法进行了详细验证，表明F-POD方法能够准确地从离散频率流场中提取单频模态结构及增长率信息，为从动力学角度解析复杂非定常流场提供了行之有效的新方法。 从流动较稳定、流场结构较清晰的压气机最高效率工况出发，实施对叶片通道内三维脉动流场的单频模态分解，结合流场主要参数的云图、全场涡系结构分布、监测点频谱特征等，论证了不同间隙及转速下压气机流场的模态特征及其物理阐释。得出：1)动静干涉扰动所对应的叶片通过频率模态(Blade Passing Frequency, BPF)及其倍频nBPF在稳定工况下始终为流场的一阶主频，并且随着其他扰动因素如间隙泄漏涡、激波等的介入，主频模态能量占比逐渐降低；2)上游间隙泄漏涡对应0.05BPF，而下游间隙泄漏涡及尾迹区的主要模态为0.2BPF；3)激波/间隙泄漏涡、激波/边界层的相互作用加剧了流场的脉动，造成了间隙泄漏涡的破碎(0.2BPF、0.4BPF模态)及降低了波后边界层流动的稳定性(0.05BPF模态)。离心压气机三维非定常流场的单频模态分解方法为挖掘压气机流场新现象，解析流场非定常动力学特征提供了新视角。 在阐明最高效率工况点流场主导模态物理解释基础上，进一步对变工况(最高压比点、小流量工况点)下，不同间隙、不同转速三维非定常流场实施单频模态分解。依据变工况主要模态的能量转移特征，发现压气机流动稳定性降低过程(即流量减小过程)总是伴随着动静干涉扰动模态(BPF/nBPF)能量向低频扰动模态的转移，故各低频模态变化过程即可反映出与压气机稳定性相关的模态发展演化的内在驱动因素：1)闭式离心压气机流动稳定性降低主要是由于吸力面边界层区域的脉动增强，对应的“不稳定”模态为0.4BPF；2)半开式叶轮的流动稳定性主要与间隙泄漏涡(0.05BPF模态)及其不断破碎产生的“高”频模态0.4BPF、0.7BPF相关；3)跨声速压气机激波、泄漏涡、边界层相互作用增强，使得流场呈现更低频率的多峰值宽频模态特征，表明压气机流动稳定性减弱。利用模态能量转移及模态结构演化特征探索压气机流动稳定性的方法为研究压气机失稳机理提供了新思路。 基于改进的单频模态分解方法对离心压气机不同转速、不同间隙及变工况流场模态特征的探索揭示了压气机复杂流场动力学机理，为高性能、宽稳定工况范围的离心压气机设计提供了理论支撑。
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