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。     

航空发动机核心机全三维数值仿真方法研究

利用流体分析软件ANSYS CFX,对航空发动机核心机进行了全三维流场数值仿真。采用出口边界模拟压气机级间引气和燃烧室二股气流流路,以及源项方法模拟涡轮叶片冷却喷射。考虑了压气机空腔效应、各叶片的端壁倒圆、转子叶片叶尖间隙等细节结构;燃烧室按照燃油喷雾模型计算化学反应。通过计算获得了核心机进口导流盆、压气机、燃烧室、涡轮及喷管的气动性能;分析整理出了部件各项参数沿径向的分布,获得了核心机推力,并与试验结果进行了对比。通过研究,初步校验了航空发动机核心机全三维数值仿真的可行性,为航空发动机整机全三维数值仿真奠定了技术基础。     

基于时间推进的涡扇发动机整机通流数值模拟

为实现航空发动机整机流场与性能快速分析,基于准三维控制方程模型,开发了整机通流数值模拟程序。程序基于计算流体力学理论,并考虑了引气、冷却和喷油等发动机中的物理现象。为模拟叶片对气流偏转作用,推导了一种鲁棒的无粘叶片力模型,同时采用粘性力模型模拟粘性损失效应。采用该程序对某型双轴分排涡扇发动机一个地面试车工况点进行了整机数值仿真,并与实验数据进行了对比验证。结果表明,所发展程序求解稳定,能够自动捕捉激波,并且可以快速获得完全收敛的航空发动机整机准三维流场,单工况点计算时长不大于30min。其中计算截面平均参数与实验测量偏差不大于8%,符合工程应用精度需求。     

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。     

基于试验数据的发动机部件串行协同仿真方法

为探究整机与部件仿真数据和测试数据的匹配性，基于MATLAB/SIMULINK、Python和通用商业CFD软件，开发了数据驱动的部件串行协同仿真技术，主要由航空发动机整机的集成仿真平台和部件串行协同仿真平台组成。其中，集成仿真平台采用模块化的方法对发动机部件建模，结合共同工作方程及边界约束条件，实现了发动机整机和部件特性的迭代模拟；发动机部件串行协同仿真平台采用自编程序结合底层求解程序，提出了重叠区域的交界面数据传递与处理方法，实现了部件间的串行仿真和边界迭代求解，完成了零维、三维仿真的耦合求解过程。以某小型涡喷发动机为研究对象，基于已有试验数据进行案例验证，计算结果最大误差不超过5%，表明集成仿真平台与串行协同仿真平台的准确性及工程应用价值。     

航空发动机多部件3维性能联合仿真探索验证与展望

航空发动机各部件在单独进行3维仿真时,其流道气动参数和部件性能参数与总体匹配设计值之间通常存在一定的偏 差,为减小部件仿真与总体设计值之间的差异,将工程设计应用较为广泛的总体性能程序和各部件3维模型相结合,开展各部件3 维模型在整机匹配约束条件下考虑部件之间相互影响的性能联合仿真,探索了多部件联合仿真方法,建立整机3维仿真架构,通 过整机3维仿真获得了航空发动机多部件内部及部件间界面流动情况。仿真结果表明：主流道流场参数相比单部件3维仿真更加 接近设计值,与设计值之间的偏差量不超过4%,满足工程应用要求。提出了整机匹配约束下航空发动机多部件3维性能仿真技 术发展思路。     

基于平行压气机模型的发动机整机性能计算方法

为了满足航空发动机型号设计、适航审定等阶段所采用的仿真模型能够快速有效计算进气畸变对发动机性能影响的需要,开展了基于平行压气机模型的发动机整机性能计算方法研究。在发动机整机性能通用仿真系统基础上,通过继承、关联等方法,构建平行压气机部件类;以发动机整机性能仿真模型迭代计算参数作为子压气机出口边界约束,进行子压气机工作点迭代计算,从而获得压气机、发动机工作点及发动机整机性能;以某型混合排气加力式双转子涡扇发动机为仿真对象,分别计算了设计点性能和进气畸变条件下的非设计点性能,验证了计算方法的有效性,并分析了进气畸变对压气机及发动机整机性能的影响。     

基于通流方法的某涡喷发动机整机数值仿真

采用轴对称方法对带有黏性力的三维Euler方程组进行降维，利用时间推进方法求解，得到适用于航空发动机整机计算的准三维数值仿真软件，并对某涡喷发动机整机进行设计点和非设计点数值模拟。首先，对地面静止状态节流特性进行研究，将计算结果与试验数据对比可知：推力的最大相对误差为-5.1%，单位燃油消耗率的最大相对误差为+4.8%，相对转速为95%时，单位燃油消耗率最低；其次，获取了飞行马赫数为0.7工况下的高度特性以及飞行高度为3 km工况下的速度特性，将计算结果与设计参数对比可知：对于高度特性，推力的最大相对误差为-4.61%，单位燃油消耗率的最大相对误差为+5%，对于速度特性，推力的最大相对误差为-5.83%，单位燃油消耗率的最大相对误差为+5.92%；再次，分别对压气机/涡轮进行部件模拟，预测了发动机的共同工作线；最后，对发动机设计工况下的流场以及气动参数的展向分布进行了分析。     

航空发动机风扇转子叶片外物损伤II.鸟撞击数值仿真(英文)

鸟撞击是飞行安全最严重的威胁之一。鸟撞击的后果非常危险,因而,在进入服役之前,飞机部件必须通过抗鸟撞认证。航空发动机风扇转子叶片是容易受到飞鸟撞击的飞机部件之一,在设计时必须考虑使航空发动机风扇转子叶片具有抗鸟撞击的能力,降低由于鸟撞击叶片而引起的飞行事故。采用接触冲击算法,对航空发动机风扇转子叶片进行了模拟鸟撞击数值仿真。针对风扇叶片具有阻尼凸台的特点,分析中建立了三叶片组计算模型。得到了对应试验测试点的模拟鸟撞击叶片的瞬态响应曲线、叶片的位移和当量应力。比较了试验中和数值仿真中模拟鸟撞击叶片的瞬态响应曲线,试验中测试点与数值仿真中对应点的变化基本相同。分析了叶片的变形过程、最大位移和最大当量应力。模拟鸟撞击风扇叶片数值仿真验证并补充了模拟鸟撞击风扇叶片试验结果。     

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。     

基于流体网络拓扑的航空发动机及燃气轮机整机性能建模方法

为了快速、灵活、自由地搭建航空发动机及燃气轮机不同构型整机性能仿真模型,提出了一种基于流体网络拓扑的发动机整机性能仿真模型方案。从发动机部件及整机性能模型建模基本原理出发,在现有面向对象的部件性能建模及通用仿真系统总体框架基础上,采用迭代变量和平衡方程组与发动机部件模型和部件模型计算顺序相关联技术,建立了适用于不同航空发动机和燃气轮机类型的稳态性能仿真模型,并将该模型计算结果与成熟的商用仿真软件计算结果进行了对比分析。结果表明：该方案、模型可以实现发动机计算模型/拓扑自动构建,以及迭代变量与平衡方程组自动构建,提高了仿真系统的适用性。     

超燃冲压发动机一体化设计及数值模拟

以一体化设计的思想,对超燃冲压发动机各部件进行了初步设计.采用CFD方法对所设计的构型进行了流场数值模拟和性能计算,数值模拟结果与实验值比较吻合.分析总结了发动机各部件和整机的流场及性能变化规律,比较了发动机工作和不工作情况下的性能变化.研究结果对超燃冲压发动机一体化设计及其性能变化研究具有一定参考价值.      

航空发动机部件级组件化模型研究

根据发动机结构和热力学的特点,将发动机整机分解成8个组件对象,设计了基于组件的航空发动机部件模型,建立了发动机模型的组件库,并设计了实时数据库组件和算法组件等辅助仿真组件;采用所建立的组件库成功构建了单轴涡喷发动机和双轴混排涡扇发动机的模型,并进行了稳态和动态仿真,与GSP相比,该仿真结果误差小;验证了基于组件的发动机部件级建模的有效性。     

航空发动机整机振动可视化仿真

航空发动机整机振动可视化仿真技术是整机振动与分析的重要组成部分,通过将计算仿真和实验数据进行动画显示,可以动态地观察到转子系统的振动,转静间隙的变化规律,以及容易产生转静碰摩的部位,从而更加方便地评估发动机振动状态,诊断发动机故障。为了突出整机振动可视化重点,依据有限元梁模型构建二维显示模型,并基于面向对象的方法,建立了航空发动机可视化的部件与整机模型。模型的建立与修改方便容易,同时利用仿真数据驱动动画模型,直观有效地展示了航空发动机整机振动过程。     

航空发动机及燃气轮机整机性能仿真综述

整机总体性能仿真是航空发动机及燃气轮机仿真的重要组成部分，在航空发动机及燃气轮机的设计制造和使用全寿命 周期内发挥着重要作用。综合70多年来航空发动机及燃气轮机总体性能仿真的发展成果，梳理了各时期总体性能仿真的发展历 程。从基本方法、模型精细化、求解算法和修正方法等角度，分析了国内外以部件级模型为代表的基于物理机理的总体性能仿真 方法研究现状；探讨了以人工神经网络、支持向量机和深度学习为代表的人工智能算法在总体性能仿真中的应用现状；介绍了机 载模型、机理-数据混合模型和多维度模型基本方法和主要成果。基于目前的研究成果和技术发展趋势，认为航空发动机及燃气 轮机总体性能仿真应向物理机理模型更精细化、人工智能技术更深入和应用模型构建更为规范化的方向发展。     

民用涡扇发动机结构与建模分析研究

数学模型是航空发动机性能仿真与控制系统设计的重要技术基础,针对民用涡扇发动机建模需求,以广泛使用的大涵道比涡扇发动机为研究对象,参考国外经验并结合理论分析,进行与整机建模相关的发动机主要部件结构特点和部件建模方法研究,给出发动机大风扇特性分解方法,分析空气引气系统、压气机稳定性控制系统、涡轮叶尖间隙控制系统、反推力装置等系统的结构和建模方法,以期为民用大涵道比涡扇发动机整机建模提供技术支持.     

航空发动机整机准三维流场仿真

分析了航空发动机各部件内部流动的S₂流面数学模型,进行了整机流场仿真计算.求解过程采用具有TVD性质的高阶Godunov格式,具有良好的数值稳定性和激波捕获能力.考虑了粘性效应以及二次流损失对于部件及整机性能的影响.对于部件间及叶排间的参数传递,采用了一种完全守恒的处理方法,保证了数值通量的连续性.仿真结果与试验数据的对比证明该方法具有较高的精度.      

30kW级航空电驱动涵道风扇设计与试验

为适应未来航空电气化的发展需求,研究了30kW级航空电驱动涵道风扇设计方法。涵道风扇性能设计基于航空发动机压缩部件设计流程。以推进系统总体性能为设计目标,完成了转子、流道以及短舱的气动外形设计。对各组成部件建立性能分析模型,评估全工况范围特性。涵道风扇结构设计采用风扇-电机一体化设计思想,简化连接方式的同时减少零件数。采用航空发动机结构强度分析方法,对涵道风扇各部件的应力、振动等特性进行评估分析。完成了30kW涵道风扇试制并开展地面和飞行试验研究。按照航空发动机整机试验方法,在整机试验台架完成涵道风扇地面性能试验。通过对比分析,试验结果与设计值误差在5%以内,验证了设计方法的有效性与正确性。涵道风扇配装轻型通航飞机完成了飞行试验,全系统工作正常,进一步验证了实际使用环境下涵道风扇的工作可靠性。     

核心机驱动风扇性能测量方法

正双外涵变循环发动机是新一代战斗机发动机的重要发展方向。作为双外涵变循环发动机的关键部件之一,核心机驱动风扇(CDFS)需具备在多状态下均能良好工作的特点,这无疑加大了其设计难度。国外已开展了相关的部件、整机试验,并成功完成了飞行验证。国内有关CDFS的研究较少,且主要集中在以单外涵模式设计点进行气动造型设计,并兼顾双外涵模式下的性能,通过数值模拟或部件试验     

航空发动机雷击电磁仿真工程简化技术

针对目前大型电器复合体三维电磁仿真过于耗时的问题,以某型航空发动机雷击电磁仿真任务为例,提出移除零部件 与简化几何结构相结合的方法对整机几何模型进行简化。简化部件包括发动机的压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管。采用传输线矩 阵法进行仿真分析,得到不同零部件对发动机控制器线缆感应电流的影响,量化不同简化方法的影响,并且通过仿真验证了工程 简化方案的合理性。结果表明：简化方法缩短了70%的仿真时间。