问题概述：

湍流问题是世纪科学难题，也一直是国际学者的研究热点和难点问题。绝大多数传统湍流理论和湍流模型都是基于湍动能产生和耗散之间的平衡关系，但实际复杂流动中的湍流都是强非平衡的。尤其是航空发动机叶轮机中的非平衡湍流问题，其中国际湍流专家Peter Bradshaw教授（英国皇家学会院士）曾指出：轴流叶轮机内部流动是所有流动装置中最为复杂的。（Of all the fluid-dynamic devices invented by the human race, axial-flow turbomachines are probably the most complicated！）

由于强压力梯度、高速旋转、空间狭小等特点，航空发动机内尤其是叶轮机内非平衡湍流流动极为复杂，包括：泄漏流动、三维分离流动、其它关键二次流动（如马蹄涡、通道涡）、激波/边界层干扰（跨音级）等，以及这些大尺度流动结构之间的相互作用。这些流动具有强非定常性、强非线性、多尺度等特点，不但制约着气动性能，还严重影响着气动弹性、气动稳定性、气动声学等，对叶轮机乃至整个航空发动机性能有关键影响，与发动机研制和使用过程中出现的各种问题和故障息息相关。因此，亟需深入研究叶轮机内非平衡湍流机理及控制，不但是国际学术前沿科学问题，也是支撑国家重大工程技术难题的科学问题。

最新前沿进展：

1. 非平衡湍流方面

虽然实际复杂湍流基本都是强非平衡的，但至今国际上对非平衡湍流的物理现象和演化机理的认识还未达成共识。由于困难性和复杂性，迄今为止基础湍流界对湍流非平衡性仍然缺乏系统性的研究。2005年以来刚刚开始出现少量研究非平衡湍流的实验，总体说来国际上对非平衡湍流的系统性实验刚刚起步，研究复杂内流湍流的非平衡性仍极少见。而近年，高精度数值模拟已开始用于非平衡湍流的研究。

尽管国际上很多学者致力于非平衡湍流机理的研究，相关研究进展还是比较缓慢。其中北航团队，近年发展了非平衡湍流理论模型，定义了适用于复杂湍流中的非平衡性定量描述，用以分析了压气机三维角区分离流动中的非平衡湍流现象，并给出了各尺度涡对应的非平衡特征时间的定量估计。基于机理研究，还提出了基于压气机内大尺度涡旋流动中的非平衡湍流输运特性改进湍流模型的新思路，通过关联螺旋度计入能量反传物理机制改进了SA湍流模型，有效提高了对压气机复杂流动的模拟精度，已被剑桥大学、帝国理工学院和罗罗公司等国际知名机构应用。

2. 航空发动机稳定性方面

1) 以大量试验为基础的经验准则法。国外航空发动机公司通过开展大量的部件试验较为精确的获得发动机气动性能及其影响规律数据库，同时发展了如D因子、Koch准则等经验判据。但这一类方法要求研究人员具备充分的经验和试验数据库，实验成本高昂，而且不能用于发动机初始设计阶段，尤其是气动负荷、几何结构发生明显改变时，试验数据库必须随之修正更新来提高方法的通用性和估算精度，我国当前尚不具备该类数据库。

2) 以求解初边值问题为核心的高精度非定常数值模拟。非定常模拟通过直接求解Euler方程或N-S方程来模拟发动机内部复杂流动，但少则数个星期，多则数月的计算时间是压气机设计难以承受之重，不适于真实复杂的多级压气机，也无法适应叶片造型精细化设计等工程实际需求。

3) 包含复杂气动/几何参数影响的数学物理模型，背景流场精细刻画，需要发展准确可靠的湍流模型。国内研究团队发展了可以包含三维叶片造型等关键几何因素作用效果的数学物理模型，比如基于全局稳定性分析的多级压气机流动稳定性通用理论，基于传递单元方法的气动声学快速预测模型，基于特征值方法的三维燃烧稳定性预测模型等。但该类方法通常需要以定常流场作为研究对象，如何快速准确的刻画航空压气机背景流场是非定常流动理论研究的关键问题。

未来面临的关键难点、挑战：

1) 非平衡湍流：

主要包括以下4个方面：结合高精度模拟技术和先进实验测量技术，建立复杂流动中非平衡湍流数据库；复杂流动非平衡湍流输运特性的定量分析和能量级串的传递方向；非平衡湍流输运特性和平均流场的关联；非平衡湍流输运特性在湍流模型中的内化。

2) 阻抗壁面边界控制：

实际上，航空发动机非定常流动除了机理研究外还有另外一个迫切需求，即寻找有效的流动控制方法。理论上，动力系统的非定常演化特性由初始条件和边界条件决定。对航空发动机非定常流动控制而言，为系统增加阻尼可以有效衰减内部非定常扰动的传播和非线性发展。实际上这一研究思路对不同的非定常流动线性均是适用的，比如穿孔板声衬控制噪声，机匣处理实现气动稳定性拓展，防震隔热屏抑制燃烧稳定性等均是这一原理的成功应用。但是，如何从理论高度对各种非定常流动控制进行统一设计和优化，需要发展适用于航空发动机非定常流动的可变阻抗壁面边界理论设计方法（图1）。

图1 航空涡扇发动机非定常流动壁面边界控制

重要意义：（简要介绍本问题取得突破后，对本领域或相关其他交叉领域科技发展的重大影响和引领作用，以及可能产生的重大科技、经济和社会效益）

航空发动机是对国民经济和国防具有重大影响的战略产业，是美国对华武器禁运之首，是我国自主研发大型飞机急需解决的关键技术。揭示航空发动机非平衡湍流机理，建立内化非平衡湍流机理的湍流模型，发展先进的非定常流动控制方法，从而实现对航空发动机内复杂流动的准确预测及有效控制，为先进航空发动机自主研制这一国家重大战略需求提供有力支撑。