燃气轮机由于其功率密度大，机动性能好等特点被广泛应用于航空、舰船、发电等诸多领域。压气机作为燃气轮机的三大核心部件之一，其工作性能对燃气轮机整机的工作性能有着决定性作用。先进的发动机设计技术在很大程度上依赖人们对压气机内部流动的认识程度，进一步研究复杂工况下的压气机内部流动特征，对于提高压气机技术是十分必要的。本文采用先进的数值模拟方法，首先对轴流压气机在稳定状态下的级间干涉现象进行了研究，其次，对压气机在失稳状态下的失速特性以及喘振特性分别进行了全三维的动态模拟，最后就相关数值模拟结果进行了讨论分析。主要研究内容分为以下几点：
　　(1)以NASAStage35型跨音速轴流压气机为研究对象，在设计转速下对其工作特性及内部流场进行了数值模拟研究，通过与实验数据进行对比验证了本文所采用数值方法的有效性。在此基础之上，提出了一种基于谐波平衡法的压气机性能快速预测方法，并与传统的双时间步长法的计算精度及计算效率进行了对比。结果表明，采用基于谐波平衡法的压气机性能快速预测方法求解叶轮机械的内部周期性非定常流动是切实可行的，相比传统的双时间步长法，在保证计算精度的同时可以大大提高叶轮机械内非定常流动的计算效率，其计算速度相比传统的数值模拟方法至少提高了10倍以上；
　　(2)采用谐波平衡法对轴流压气机中前后叶排间的相互干涉作用所引起的非定常流动特征进行了数值模拟研究，并在此基础之上，在自主开发的数值模拟软件SPARC中，采用所提出的基于谐波平衡法的快速预测方法对多级轴流压气机中的级间干涉现象在全通道中进行了研究。结果表明，由于相邻叶排间上下游叶片间相对位置的不同，使得级间间隙中的流动在周向方向上呈现出非均匀的流动状态，虽然这种非均匀的流动特征在前面级中几乎可以忽略不计，但是随着压气机级数的增多，这种非均匀特征会持续地累积，并且最终在压气机后面级中形成较为严重的不均匀流动，给压气机的安全运行带来隐患。
　　(3)结合UDF技术发展了压气机出口处流动参数的动态调节模型，提出了一种压气机失速的预测方法，在全通道中对该型压气机转子叶片通道中的失速产生及发展过程进行了全三维的数值模拟研究。结果表明，随着压气机进出口处质量流量的下降，失速开始发生，并在接下来的数个旋转周期内完全进入失速状态，失速团的大小和位置都具有明显的不确定性。在整个失速的发展过程当中，一些小的失速团会逐渐融合。当压气机完全进入失速状态以后，叶片通道中的失速扰动信号以压气机转速的47%左右沿着周向方向旋转。
　　(4)对传统的非线性谐波平衡法进行了一定的发展，结合前人提出的出口容积控制模型建立了一种用于预测压气机喘振的数值模拟方法，在自主开发的数值模拟软件SPARC中对压气机在喘振工况下的内部流动特征进行全三维数值模拟研究，获得了压气机在喘振工况下数十个旋转周期上的内部流动状态。结果表明，当喘振发生时，气流在压气机内部产生了大范围的周期性往复震荡，完成一个喘振周期至少需要经历11个旋转周期以上，当系统体积和平均工作流量发生改变时，压气机喘振频率一般处于14.32-26.04Hz之间。最后，通过对比亥姆霍兹共振频率理论计算结果与采用数值模拟方法计算得到的压气机喘振频率可以发现，采用数值模拟计算得到的压气机在不同系统体积条件下的喘振频率与采用亥姆霍兹共振频率计算得到的理论结果处于同一量级，且变化趋势基本相同，但两者之间存在着较为显著的差异。