微型离心压气机作为Brayton循环微小型热功转换系统的关键部件,其效率和稳定工作范围直接关系到整个系统的运行性能。由于离心压气机内部流动复杂,尤其是叶尖区域的流动结构往往伴随着强烈的非定常效应,会降低压气机的性能。通过研究微型离心压气机内流并采用非定常流动控制技术改善压气机叶尖的流动和采用新介质的方法都可以在一定程度上提高整体性能。本文采用数值模拟结合理论分析的手段,针对基于Brayton循环微小型热功转换系统的离心压气机进行了研究,主要有以下几个方面的工作:1、引入了DMD动力模态分解法对复杂内流进行了研究,将其运用于二维叶栅及三维压气机内流的分析,表明DMD方法在处理复杂流动问题时具有全局、高效的优势,能够迅速捕获各处的拟序结构和与之对应的频率信息,并且捕获流场的主导拟序流动,可以将处理多个瞬间流场的研究转移到仅对少量模态的研究。通过非定常研究表明不同转速下微型离心压气机叶尖动态流场结构的主导频率大概为叶片通过频率的一半,并且这一比例基本上不随着转速发生改变,通过DMD方法对主导频率为叶片通过频率一半的原因进行了解释,这一规律与主导拟序结构的切向运动速度和前缘叶尖主流速度之间具有关联。2、为获得压气机叶尖动态结构的主导频率,使得非定常流动控制技术能够有效地应用于压气机上,通过在机匣外侧引入虚拟镜像涡的办法,建立了一种无需依赖于CFD计算或实验结果就能获得主导频率的泄漏涡频率预测模型。根据泄漏涡的不稳定原理,通过在机匣外侧引入泄漏涡虚拟镜像涡的方法,应用翼尖涡对的不稳定理论,推导了决定涡频率的最大不稳定扰动波长与涡半径以及涡对距离之间的关系,建立了可以预测泄漏涡频率的模型,并将模型同计算和国内外典型压气机实验结构进行了有效性验证。3、本文建立在非定常流动控制的机理上,提出了一种适用于微小型离心压气机的被动式非定常流动控制方法,能够利用非定常控制“四两拨千斤”的机理,削弱压气机叶尖的主导拟序结构,从而提高压气机的稳定工作裕度。在对比研究激励位置与激励强度对控制效果的影响规律之后,表明有效的激励仅用少量的激励流量（主流流量的0.12%）就可以明显削弱泄漏涡造成的波动,在几乎不影响压气机效率的同时大幅度提高稳定性裕度（提高19.3%）。4、SCO₂压气机是提高以SCO₂为介质的Brayton循环效率的关键部件,是实现整机效率高于50%的关键因素,为分析SCO₂压气机的内流特征,基于课题组前期开展的典型微型离心压气机进行了研究。通过对比介质为SCO₂和空气时的流场结构,基本掌握了SCO₂压气机与空气压气机具体流场结构的差异及原因,为开展专门用于SCO₂压气机的设计和研究提供了基础。