开展航空发动机数值仿真研究的探讨

虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法，一种基于产品计算机建模的数值设计方法。本文重点介绍了航空发动机数值仿真与虚拟样机设计，以及推进系统数值仿真的概念设计、工程模型、仿真环境、高性能计算。给出航空发动机数值仿真的研究方法、管理模式和关键技术。     

航空发动机全三维数值仿真技术

<正>航空发动机数值仿真是在计算机虚拟环境中,实现对航空发动机整机、部件或系统等的高精度、高保真多学科耦合数值模拟,是助推航空发动机从"传统设计"到"预测设计"研发模式变革的重要手段。航空发动机数值仿真可分为零维、一维、准三维和全三维四种。其中,全三维仿真能反映三维流动细节,是航空发动机设计的发展方向,拥有巨大的应用前景。20世纪90年代以来,我国航空发动机数值仿真工作取得了很大进展,各个部件均建立起了三维设计体系,但对发动机整机性能方面的模拟尚不完善,在发动机全流道内开展设计点和非设计点全三维仿真十分困难。     

航空发动机特性仿真技术的进展与展望

回顾了航空发动机特性仿真技术的产生背景，综合叙述了从稳态特计算到瞬态特性计算，从特性仿真到综合仿真，从零维仿真到多维仿真的发展历程，介绍和评述了我国航空发动机特性仿真的研究概况及美国“数值推进系统仿真”计划和发展趋势，说明了发动机数值仿真技术及仿真试验台的应用与发展，在很大的程度上提高了推进系统设计的可信度，降低了实验与研制成本，缩短了研制周期。     

航空发动机数值仿真试验台建立中几个关键技术问题的讨论

本文主要讨论航空发动机数值仿真试验台建立中几个关键技术问题 :发动机数值仿真试验台建立的目标与基本要求 ;发动机三维多功能数值仿真数学模型、精度可靠性与并行算法 ;部件与发动机数值仿真试验台集成软件包 ;发动机仿真软件平台的框架 ;发动机三维数值仿真硬件系统。只有系统解决上述六个问题才能顺利建立这一仿真试验台。     

航空发动机整机二维气动热力数值模拟

研究了用于航空发动机整机数值仿真的含粘性力项的二维欧拉流动模型,进行了整机流场数值仿真。用代数和椭圆形偏微分方程混合方法分别生成叶栅通道和燃烧室内贴体坐标网格;分别针对压气机转子、静子和涡轮叶栅,定义了三种不同损失系数;采用高阶精度Godunov格式和时间推进法,交替使用显/隐格式,收敛速度快,计算准确度高。计算了某双轴涡扇发动机设计点的整机性能与部件性能,计算结果与设计数据相吻合,分析整机仿真计算得出的流场参数分布,可以更好的了解流场细节。数值试验表明,建立的程序可以预测发动机稳态条件下的整机性能以及用于发动机的设计与改进,奠定了二维数值试验台建设的基础。     

航空发动机数值缩放技术的研究进展

航空发动机整机和部件仿真是航空发动机设计与研究的常规手段,是短周期研制先进水平航空发动机的重要环节和手段。数值缩放技术可以将基于高精度模型求解的部件特性用于整机性能分析,在有限的计算资源下提高航空发动机整机仿真精度,是实现航空发动机整机和部件高精度仿真的关键技术之一。同时数值缩放技术可以使部件设计在航空发动机整机环境中得到快速、全面的评估与分析,提高航空发动机设计的可信度,降低开发成本与周期。梳理了国内外航空发动机数值仿真技术的发展趋势,回顾了数值缩放技术的发展及在实际研究中的应用情况,分析、总结了数值缩放技术的三种实现方法及现阶段数值缩放技术应用中存在的问题,提出了我国数值缩放技术发展需重点关注的方向。     

美国推进系统数值仿真(NPSS)计划综述

通过对国外有关献资料的收集，整理和分析，综合介绍了由美国NASAGlenn研究中心（GRC）组织实施的“推进系统数值仿真”（NPSS）计划的发展历程，研究意义。研究目标，研究进度，组成和构架，主要关键技术及应用等情况，并对我国航空发动机数值仿真系统的发展提出了建议。     

卫星推进系统发动机启动过程数值仿真

以一维管道瞬变流理论和特征线方法为基础,建立了仿真系统部件流体动力学模型。计算方法采用带内插的特征线方法和四阶龙格库塔法。对燃烧室模型,考虑燃烧时滞的影响,计算了卫星推进系统发动机在启动过程中各参数的变化。仿真结果与卫星推进系统热试车试验结果基本吻合。结果表明计算模型较好地描述了发动机启动过程中的水击和管流振荡现象,采用的仿真方法符合精度要求,在工程上可为卫星推进系统的设计与试验提供指导。      

机载武器发射对航空发动机的影响

通过对机载武器发射过程对发动机稳定性和性能影响的研究,分析了武器发射过程中发动机产生性能下降的机理;阐述了压气机的喘振边界的预测方法;建立了武器发射对发动机稳定性及性能的影响的计算模型,并开发了数值仿真系统。设计的系统扩展性强、通用性好、计算速度快。研究的方法及计算结果可为航空发动机及机载武器发射过程设计提供参考。     

液体火箭发动机实验台液路系统工作过程仿真

从一维可压缩液体的瞬变管流方程出发,采用有限体积法,对液体火箭发动机实验台液路系统工作过程进行了一维数值仿真,并将计算结果与实验结果进行了比较与分析。结果表明,该方法较好的描述了发动机实验台液路系统的工作过程,能为实验台系统的设计、故障诊断、优化以及实验发动机的性能分析提供指导。      

翼身融合运输机分布式电推进系统设计及油耗评估

针对翼身融合运输机开展了分布式电推进系统的总体设计与油耗评估。通过数值计算完成了70t载质量翼身融合飞机的气动设计与优化。在巡航马赫数为0.80和10km高度的设计点,最大升阻比达到了24。通过求解积分边界层方程组,完成了电推进系统的总体设计。电推进系统包含10个推进风扇,风扇直径为1.45m,压比为1.35,巡航功率为2.94MW。建立了考虑燃烧过程的发动机一维性能模型,对发动机油耗进行了评估,获得了不同发动机循环参数下燃油消耗。建模结果表明,基于翼身融合布局和分布式电推进技术,可使运输机的油耗较C-17节省近50%。      

可扩展的推进系统仿真平台:部分Ⅱ-可扩展的框架结构

基于java的面向对象建模, 建立了可扩展的推进系统仿真平台-EPSP.EPSP提供了一个灵活的仿真环境, 可以定义、修改和仿真基于组件的推进系统模型.EPSP具有友好的图形化界面, 可以方便地修改推进系统各部件的参数, 用户可以进行定制和扩展, 以增加新功能或者适应所需的仿真行为.本文分别介绍了EPSP的可视化框架和连接服务框架, 并且研究了计算框架的设计思想.文中给出了某双轴涡扇发动机动态仿真的算例, 结果表明, EPSP是进行扩展灵活的推进系统仿真计算的有力工具.      

基于仿真的月面着陆器上升级推进系统动态特性研究

针对月面着陆器上升级推进系统开关机响应、主要参数变化等动态特性问题,建立了推进系统的主要部件动力学模型与仿真模型,对典型的月面着陆器上升级推进系统工作过程开展了仿真研究。仿真结果表明,发动机工作过程仿真结果符合预期趋势,初步验证了利用AMESim软件进行推进系统性能仿真研究的可行性。     

某新机综合飞行/推进系统H∞控制器设计

针对国内某新型战机及其装配的新型涡轮风扇发动机,本文研究了该综合飞行/推进系统一体化控制问题。首先建立了飞行子系统、推进子系统数学模型,在此基础上得到了飞行/推进系统综合模型;利用H∞混合灵敏度控制器设计方法,设计了综合系统控制器,对控制器设计中的一些关键问题作了讨论;最后通过仿真,表明所设计的综合控制系统具有较好的性能。     

飞机快速机动过程中进气道/发动机一体化计算分析

基于进气道/发动机推进系统一体化动态数值模拟计算系统,对飞机快速俯仰机动飞行过程中的性能进行了计算分析研究,获取了飞机快速俯仰过程中的推进系统气动性能的变化特征,数值计算结果表明:快速变化的外部扰动会诱发发动机内部热力循环参数和性能更大的动态波动;在机动飞行的同时,增大燃油量,发动机推力下降程度得以减缓,发动机的单位燃油消耗率上升.      

空间发动机系统关机过程水击现象理论分析

对空间发动机系统关机过程进行了数值仿真分析,讨论了关机过程中系统管路内的水击现象,以及多推力室发动机系统工作状态、阀门响应特性等因素对水击现象的影响。     

某新机综合飞行/推进系统H∞控制器设计

针对国内某新型战机及其装配的新型涡轮风扇发动机,本文研究了该综合飞行/推进系统一体化控制问题.首先建立了飞行子系统、推进子系统数学模型,在此基础上得到了飞行/推进系统综合模型;利用H∞混合灵敏度控制器设计方法,设计了综合系统控制器,对控制器设计中的一些关键问题作了讨论;最后通过仿真,表明所设计的综合控制系统具有较好的性能.     

弹用涡喷发动机数控实时仿真系统设计及试验

以弹用小型涡喷发动机为研究对象，在充分考虑了发动机数字控制系统设计过程中的实时仿真、数控台架试车、数控系统成型装备飞机与导弹等实际情况的基础上，采用PC／104为数控系统控制器，以计算机模型替代真实发动机，设计了发动机数控含实物实时仿真系统。具体介绍了系统硬件设计；自适应预测控制器设计及其试验研究等。仿真结果表明：系统能实时地反映在控制系统作用下发动机的运行情况，为发动机全权限数字电子控制（FADEC）系统研究提供了良好的试验手段。     

航空发动机试验燃油流量测量滞后故障仿真与排除

针对某型航空发动机起动燃油流量测量滞后、振荡及重复性较差的故障,建立了高空台燃油流量测试系统和发动机燃油控制系统数学模型,并进行了数值仿真分析,得出了供油管路内可压缩性气体是测量滞后的主要原因。通过故障再现试验,定量检验了管路内气体对燃油流量测量的影响,验证了仿真分析结果的正确性。依据仿真与验证试验结果,改进设计了燃油管路和操作程序,排除了故障。     

民用飞机发动机舱灭火剂雾化数值模拟

针对民用飞机灭火系统的特点。使用商业软件FLUENT对民用飞机发动机舱着火后灭火剂的雾化过程进行数值仿真模拟．分析发动机舱着火状态下灭火剂喷射后舱内灭火剂浓度的分布情况,为民用飞机发动机灭火系统设计提供技术支持。