叶轮机械作为航空、石化等动力设备的核心部件,其稳定性问题严重制约着设备性能与工况范围,进而影响整个动力设备的安全高效运行。旋转失速作为一种重要的不稳定现象,常常引发周期性全局倒流(即喘振),使得做功能力急剧下降,并很可能造成机械损坏。离心叶轮转速高、几何结构复杂、三维非定常流动性强,使得失速机理阐明和失速信号识别难以明确。深入研究离心叶轮失速工况流动特征,有助于加深人们对失速流动机理的认识,进而发展失速模态识别和失速信号监测方法,为叶轮扩稳和优化设计提供理论依据。首先基于精细的数值模拟结果对失速工况非定常流场进行研究,以期阐明失速流动机理。在离心叶轮失速流场中,流动沿周向的周期性被破坏,单通道计算无法真实反映失速发生过程,为了准确捕捉完整的失速流场结构,本文对Eckardt离心叶轮进行全通道三维非定常数值模拟,获得不同工况的流动细节。设计工况下,阐明了通道内部流场周期性变化特性,以及流道下游吸力面近轮盖侧的低速二次涡形成机理;失速工况下,成功捕捉到了位于叶片前缘叶顶区域4个对称分布的失速团。通过与轴流叶轮突尖失速特征对比分析,离心叶轮中存在特征相似的前缘溢流,同时由于离心叶轮的几何折转,尾缘反流呈现新的特征:由叶顶间隙二次流、压力面和吸力面低速二次流在流道中偏转、卷曲形成尺度更小范围更大的低速二次涡,而不能像轴流叶轮直接冲击到叶片压力面上。其次运用频谱分析方法对失速模态进行识别和监测。采用空间傅里叶变换对不同流向和叶高位置的压力信号进行分析,设计工况下存在与叶片通过频率相关的20阶模态;而失速工况下4阶模态振幅最大,并存在振幅逐渐减小的倍数阶模态。通过对4阶模态的相位分析,定量确定了失速团从叶轮入口向下游移动过程中周向运动速度,约为0.63-0.73倍叶轮转速。因此,空间傅里叶分析能准确识别叶轮失速流场的空间不均匀性,以及失速团周向运动规律,可用于失速信号实时监测和失速预警。