叶轮机械在国民经济和国防建设中占有举足轻重的地位,发展叶轮机械是我国的长期战略任务。在高效、安全、低噪、环保等方面的迫切需求下,对旋技术作为一项重要气动技术受到业界广泛关注。基于定常理论的对旋风机气动设计方法的局限性已经非常明显,因此,深入研究对旋风机内部非定常复杂流动具有重要意义。本文针对对旋风机内复杂非定常流动问题,详细研究了两级转子叶顶区和动-动干涉作用下的非定常流场,并进一步分析了对旋风机的叶片振动和气动噪声特性。针对对旋风机内复杂非定常流动问题,本文采用SST 湍流模型求解定常和非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,开展了数值模拟研究,并以NASA Rotor37为例验证了数值模拟方法。本文研究了对旋风机内叶顶间隙流动机制,首先,针对两级转子叶顶泄漏流非定常特性的研究发现,前级转子叶顶泄漏涡的流动具有周期性,使得其叶片前缘负荷出现“弱强交替”的周期性变化;后级转子叶顶泄漏涡的流动无周期性,使得其叶片前缘负荷一直较大。在叶顶堵塞作用影响下,前级转子和后级转子的叶顶二次涡存在此消彼长的关系。其次,针对两级转子叶顶泄漏流三维空间结构的研究发现,在设计工况下,两级转子叶顶泄漏涡均能较好卷吸形成旋涡结构;在近失速工况下,两级转子的叶顶二次泄漏流动现象严重,前级叶顶泄漏流的旋涡结构消失,后级叶顶泄漏流的旋涡结构相对明显,后级还存在前缘溢流现象。在以上基础上,本文研究了变转速匹配方案对失速边界和叶顶间隙流场的影响。发现在变转速匹配方案中,单独改变前级转速,对于风机的失速边界和叶顶间隙流场的影响更大。随着两级转速比(后级转速与前级转速之比)的增大或减小,失速边界对应的流量减小。在近失速工况下,单独改变后级转速时,对两级转子叶顶间隙流场影响不大;单独改变前级转速时,对两级转子叶顶间隙流场影响较大,前级叶顶泄漏流流场得到改善,后级叶顶泄漏流流场恶化。基于对旋风机内部强烈的动-动干涉作用,本文研究了风机内部的非定常效应,详细研究了动-动干涉对流场非定常特性的影响。研究结果表明:非定常效应使得前级转子的流动损失增加,使得后级转子的流动损失减小。其中,上游尾迹对于抑制后级流动损失起到积极作用,得益于尾迹恢复效应和负射流作用。随着轴向间隙增加,非定常效应减弱,流动损失基本不受非定常效应的影响。本文研究非定常气动力发现,势流干扰对前级气动力的影响强于上游尾迹和势流干扰对后级气动力的影响。当流量减小时,两级非定常气动力的平均值和波动幅度均增大,后级气动力受流量的影响更加明显。当轴向间隙增大时,两级非定常气动力的平均值变化很小,但波动幅值变化较大。本文研究两级流场非定常性发现,对于前级转子,势流干扰使得静压非定常性较强的区域位于叶片压力面靠近尾缘一侧;对于后级转子,在尾迹和势流的影响下,叶片前缘的静压非定常性十分强烈。在不同轴向间隙下,两级监测点的静压波动主频均对应叶片通过频率,在轴向间隙为0.3 chord(0.3倍的前级叶根处弦长)时,两级静压波动幅值最大,分频幅值也较大。本文基于有限元和边界元方法,针对对旋风机的叶片振动和气动噪声特性进行了研究。研究表明,叶片固有特性主要受到离心惯性载荷的影响。在设计工况下,前级转子的前6阶固有频率大于后级转子的固有频率。相比于后级转子,前级转子叶片固有特性受到施加载荷的影响更大。当流量增大时,两级叶片的总变形和最大等效应力均逐渐减小,流量对于后级叶片的变形和等效应力特性的影响更大。轴向间隙对于两级叶片的固有频率、等效应力和变形分布特征影响较小,对两级叶片的最大总变形有一定影响。对旋风机的辐射噪声声压级随着轴向间隙增大而减小,分别在0.5 chord和1.1 chord轴向间隙时,声压级有较大程度的减小。总体上,对旋风机的轴向间隙越大,其气动噪声水平越低。综合考虑风机气动性能和气动噪声特性,本文研究的对旋风机最适合的轴向间隙为 0.5 chord。