《Computers & Fluids》：Efficient Methods for Analyzing Inlet Distortion in Compressors Using a Multi-row Single-Passage Computational Domain
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入口畸变对多排涡轮机械的不稳定气动与气动弹性响应分析，提出结合傅里叶级数边界条件与耦合时间通谱法（CTPS）的计算框架，通过单通道域实现多排复杂畸变流场的高效仿真，验证显示可准确捕捉NASA Rotor 67与Stage 35的畸变传播特征及稳态畸变诱导的时钟效应，为复杂流体-结构相互作用研究提供新方法。
朱宇泽|张旭轩|杨平|冯金章|王定西
西北工业大学国家精英工程研究院，中国西安，710072
摘要
周向入口畸变是不可避免的，它可能对航空发动机风扇和压缩机的安全运行构成严重威胁，导致诸如颤振和强迫响应等气动弹性问题。尽管计算流体动力学（CFD）已广泛应用于风扇和压缩机的设计，但在多排环境中对入口畸变效应的有效分析仍然是一个挑战。为了解决这个问题，本研究建立了一个计算框架，以促进对受周向入口畸变影响的风扇和压缩机的非定常气动和气动弹性分析。提出了一种规定入口畸变边界条件的方法，并将其与耦合时间和通道谱（CTPS）方法以及移相边界条件相结合，从而能够在单通道域内进行高效模拟。该方法首先使用NASA Rotor 67进行了验证，其结果与实验数据和基准双时间步进（DTS）解决方案非常吻合。随后，引入了一种解决时空谐波的策略，用于分析NASA Stage 35压缩机的定子强迫响应。分析成功捕捉到了由稳态周向畸变引起的明显时钟效应。这些发现证实了所提出方法在研究复杂流体-结构相互作用方面的潜力。
引言
入口畸变是指来流气流的空间非均匀性，这是航空发动机中常见的现象，其来源包括侧风、地面涡流吸入和复杂的进气几何形状。此外，在具有边界层吸入（BLI）和S型通道的先进推进概念中，入口畸变通常是固有的且更为严重[1]，[2]。这种畸变不仅会降低气动稳定性裕度[3]，[4]，[5]和部件效率[6]，还会引发气动弹性问题，包括强迫响应[7]，[8]和颤振[9]。这些气动弹性问题可能导致叶片高周疲劳（HCF）[10]。因此，在设计阶段准确评估入口畸变效应对于确保航空发动机的安全和高效运行至关重要。
研究入口畸变的主要方法包括试验台测试和数值模拟。在实验研究领域，Naseri[11]评估了受入口总压畸变影响的微型燃气轮机的性能。研究表明，随着畸变强度和范围的增加，发动机推力和燃油消耗率（SFC）都会恶化，其中180度畸变区域的影响最为显著。同样，Graber[12]使用畸变发生器研究了周向总压畸变对压缩机气动稳定性的影响，证明这种畸变显著降低了轴流压缩机的失速裕度。Mehalli[13]专注于热效应，使用气体燃料氢燃烧器研究了各种类型的总温畸变。他的发现表明，不同的温度分布会严重影响气动性能和稳定性，某些模式会导致更严重的性能损失或直接引发失速。此外，Li[14]实验研究了三级轴流压缩机中由边界层分离引起的入口径向畸变。结果表明，尖端畸变会加速失速，而轮毂畸变则通过将流动重新分配到尖端来有效延迟失速。
然而，实验测试资源密集且存在发动机损坏的重大风险，因此在初步设计阶段进行广泛的参数研究是不切实际的。因此，数值方法迅速发展起来以应对这些挑战。早期的理论方法，如并行压缩机理论[15]和Moore-Greitzer模型[16]，为畸变进气条件下的压缩机稳定性提供了基础性见解，但受到流动物理理想化表示的限制。为了平衡精度和成本，体力法（BFM）[17]通过将叶片排视为分布式源项提供了一种计算效率高的替代方案。尽管最近的改进提高了它们的预测能力——例如，Qiu等人[18]引入了修正因子来捕捉总温畸变中的上游诱导涡流效应——但这些模型仍然严重依赖于校准，并且往往难以解决确定性应力起主导作用的复杂流动。
基于非定常雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）方程的高保真CFD方法已被广泛用于入口畸变分析。Yao[19]使用DTS方法分析了受入口畸变影响的两级风扇的流场，深入了解了涡流畸变传播的动态。类似地，Fidalgo[20]使用全环计算域研究了NASA Rotor 67与入口总压畸变之间的相互作用。Gunn[21]将这一方法扩展到复杂配置，通过高保真非定常模拟研究了BLI涡轮风扇发动机在严重入口畸变下的流体动力学。Vahdati等人[22]使用时间精确的URANS对入口畸变对风扇气动稳定性的影响进行了参数研究。URANS方法也成功应用于其他旋转机械，如反向旋转开式转子[23]，证明了其广泛的适用性。然而，这些全环URANS模拟需要大量的计算资源且耗时较长，不适用于常规工程应用。此外，时域模拟的本质使得分离和分析各个频率分量及其对叶片强迫响应的具体贡献变得具有挑战性。
为了解决时域时间推进方法的巨大计算成本，开发了频域方法。He[8]证明基于单通道傅里叶级数的模拟可以将CPU时间减少5到10倍。Hall[24]随后改进了时域谐波平衡（HB）方法，该方法已广泛应用于颤振[25]和叶片排相互作用分析[26]，[27]，而Gopinath等人[28]提出了时间谱方法。对于强迫响应，Kielb和Chiang[29]建立了一个广泛采用的分析系统。尽管这种方法高效，但在多叶片排环境中，标准HB方法难以处理具有相同频率但不同IBPA和零频率模式的散射模式。Huang[30]和Wang[31]通过开发CTPS方法取得了突破。该方法通过将IBPA和通道指数纳入傅里叶级数，解决了零频率分量和具有相同频率但不同IBPA的分量的奇异性问题。虽然这提供了理论基础，但在实际应用中仍存在挑战，特别是在规定非均匀入口边界条件和选择多排配置的适当谐波方面。
本研究开发了一个用于多排涡轮机械高效入口畸变分析的数值框架。提出了一种基于傅里叶级数的方法，用于在单通道域内实现周向非均匀入口边界条件，从而可以直接使用实验畸变数据。此外，引入了一种系统的谐波选择策略来准确解决畸变传播。该框架使用DTS方法与高保真全环模拟进行了严格验证。通过定子强迫响应分析，证明了该方法捕捉复杂非定常动力学（如畸变引起的时钟效应）的能力。这为未来的流体-结构相互作用研究建立了一个高效的框架。
方法部分
本节建立了CTPS方法的数学框架，详细说明了控制方程和谱源项的推导过程。随后，提出了一种系统的方法，用于根据离散实验数据实现周向非均匀入口边界条件。
数值设置和结果
本研究建立的计算框架在内部CFD代码TurboXD [36]中实现。提出的入口畸变边界条件和谐波重建策略被整合到HB和CTPS模块中，扩展了它们在多排畸变分析中的适用性。通过在圆柱坐标系中求解可压缩URANS方程的有限体积离散化，分析了涡轮机械中的3D非定常流动。结论
本研究建立了一个高保真的计算框架，用于高效分析受周向入口畸变影响的多排涡轮机械。通过将基于傅里叶级数的入口边界条件与CTPS方法相结合，所提出的方法能够在单通道域内解决复杂的畸变流动。该方法在NASA Rotor 67和NASA Stage 35配置上得到了验证，得出了以下主要结论：
1.作者贡献声明
朱宇泽：撰写——原始草稿，验证，软件，调查，数据整理，概念化。张旭轩：可视化，验证，形式分析，概念化。杨平：监督，项目管理。冯金章：监督，资源，项目管理，概念化。王定西：撰写——审阅与编辑，监督，资源，方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
