当前的压气机/风扇气动设计体系普遍采用了定常假设。这种假设忽略了流场中的非定常组分,势必会给压气机/风扇的气动设计和流场预测带来不确定性。尤其在当今压气机/风扇的结构更紧凑、单级负荷更高的情况下,排间非定常效应会变得越来越强烈,定常假设所产生的不确定性势必也会增大,从而制约对压气机/风扇性能潜力的挖掘。此外,一些先进的设计理念(如飞发一体化设计等)常会给压气机/风扇引入进气畸变,导致压气机/风扇流场产生强烈的非定常特性,使得定常物理模型不再适用。这些都表明有必要逐步将流动的非定常特性纳入到常规压气机/风扇设计和分析体系中。本文旨在对压气机/风扇的排间干扰以及进气畸变所产生的非定常流动特征进行系统性的研究,发掘这些非定常流动特性在不同工况下的变化规律及机理,并进一步地对非定常优化设计进行探索,为相关研究者和设计人员提供一些思路和一点参考。实现这些研究目标需要高效的非定常模拟工具,本文基于压气机/风扇内非定常流的周期性特点,引入“谐波平衡法”,推导了“谐波平衡”控制方程组,并对离散方程进行了隐式线化处理,实现了高效、稳定的叶轮机非定常数值模拟。利用准三维通流计算初步设计了一对转风扇,并以此对转风扇为研究对象,验证了程序定常三维模拟和“谐波平衡法”的有效性和可靠性,为后面的研究奠定基础。后面的相关非定常研究均以“谐波平衡法”为基础展开:首先,对对转风扇100%、90%和80%转速下的定常和非定常流场进行了数值模拟,通过对比定常和非定常的气动特性及其展向分布,研究了对转风扇的非定常特性及其随工况变化的规律。结果表明,排间非定常扰动会引起压气机/风扇端壁区域出现明显的气动特性变化。具体来说,排间扰动下,近设计点时,前、后转子叶尖和叶根附近通常会出现损失增加,而在近失速点,则通常会出现损失减小。对排间干扰下的时均和瞬时流场分析表明,对于前转子,其受非定常势扰动的直接影响较小,其叶尖、叶根部分的特性改变主要源于后转子端壁区域流动特性变化所带来的工作环境转变。对于后转子,其流动状态主要受上游尾迹影响,尾迹作用于下游叶尖泄漏涡时,会使其产生周期性的膨胀,从时均效应上来说,相比于定常,叶尖泄漏的损失密度降低,而损失影响范围增加。此外,尾迹作用于叶表附面层时,会引起附面层出现强烈的涡量振荡,导致损失,这种效应在近设计点附近占据主导地位,而这也会增加附面层中的湍流度,有利于抑制分离。最后,尾迹在下游输运时,还会出现“负射流”现象,使得吸力面的低能流体向高流通能力的压力面迁移,同时增加主流与边界层之间的能量交换,从而对分离产生抑制作用,这种效应在近失速点时起主导作用。其次,研究了100%转速下对转风扇的进气畸变非定常特性。先假定了两种类型的周向正弦总压畸变,时均特性表明周向总压的不均匀性会引起风扇性能的恶化,且低频正弦畸变所产生的影响更强。进一步地对不同进气位置的瞬时流场进行了详细讨论和分析,发现进口总压畸变主要从进口总压高低和进口总压周向梯度两个因素来影响风扇的流动特征,具体来说,低进口总压会加大叶片载荷,使工况更靠近失速状态,引起逆压梯度增大,角区分离和叶尖泄漏加剧,反之则反;而周向总压顺梯度则会增大进气攻角,促使轮毂角区分离和叶尖泄漏增强,还会对激波附面层分离起到促进作用,反之则反。接着,对一典型边界层摄入式(Boundary layer ingestion,BLI)推进系统所产生的进气畸变进行了研究,发现正弦畸变的作用机理和规律同样适用,一定程度上验证了相关理论的正确性和普适性。最后,基于“缘线匹配”思想,搭建了非定常优化设计平台,完成了对转风扇在近设计点的非定常设计。结果表明,优化后的对转风扇峰值效率提高约0.4个百分点,总压比在整个工况下均有所提高,数值失速裕度明显有所增加。流场分析显示,“缘线匹配”会同时包含“弯”的定常匹配以及排间的非定常匹配,且“弯”的匹配占性能提升的主导地位,非定常匹配带来的性能改变则处于从属地位。优化后,排间的非定常扰动在整个叶高上均有不同程度的下降,下游叶片非定常扰动的降低主要源于上游尾迹和叶尖泄漏的减弱。