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。     

某涡扇发动机考虑级间引气的二维数值模拟

针对采用S₂流面流场模拟软件(AES-S2),对某涡扇发动机风扇、压气机(考虑级间引气)和整机进行地面0km及高空21km低雷诺数工况下转速特性的评估和流场分析.AES-S2数值仿真模型由带有黏性项的二维欧拉方程、燃烧模型和损失模型构成;采用任意曲线坐标系,可保证复杂几何边界的计算精度;采用隐式高阶精度Godunov求解格式,数值稳定性高,可自动捕捉激波.仿真结果表明:AES-S2计算稳定性好,收敛速度快;风扇和压气机的计算精度高于整机;整机二维计算满足工程精度需求,可为部件研制和整机部件匹配提供性能参数依据.      

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。     

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。     

燃烧室与涡轮气动性能全3维联合数值仿真

针对燃烧室与涡轮2大部件相互耦合关系下多物理场的精准辨析问题,开展了基于CFX统一软件平台的部件间气动性 能全3维联合数值仿真研究。选取地面起飞状态点作为数值仿真工况,采用化学热力学建表方法计算化学反应过程,通过源项法 模拟叶片冷却喷射。根据计算结果分析了2大部件相互耦合关系下多物理场的分布规律,结果表明：各流场参数分布趋势合理, 验证了部件间全3维联合数值仿真的可行性;与部件单独仿真结果进行了对比,结果表明：部件联合仿真与单独仿真获取的压力 和马赫数的演化规律基本一致,温度场分布表现出差异,联合仿真克服了部件单独仿真无法准确捕捉热斑的不足。部件联合仿真 为多部件耦合关系下气动性能匹配和优化设计提供了工程可用的3维分析手段。     

涡扇发动机压缩系统部件特性与匹配数值仿真

为了研究发动机环境中部件特性及部件之间的匹配规律,采用3维数值模拟软件对某压缩系统进行数值仿真计算。计 算比较了设计转速风扇/压气机部件特性单独评定和发动机环境中评定的异同,研究了压缩系统4种可调参数变化对风扇、压气机 匹配工作点的影响。结果表明：2种环境下风扇特性基本相同;对于压气机,单独评定时以风扇出口参数的径向分布作为进口边界 条件获得的压气机特性与整机环境下的基本相同,而给定其他形式进口边界条件时压气机特性存在一定差异：采用均匀进气条件 时,压气机流量、效率和喘振裕度分别增加0.3%、0.4%和4.6%,采用进口节流条件时压气机流量、效率和喘振裕度分别减小3.5%、4.0% 和20.9%,整机环境使用时应对特性进行修正。研究结果对整机环境下风扇/压气机性能表现以及匹配规律研究有重要参考意义。     

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。     

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。     

全流量补燃循环试验发动机启动过程

分析了全流量补燃循环发动机系统启动过程难点,针对全流量补燃循环缩尺发动机热试车启动过程,分别就发动机中富燃/富氧预燃室的自身启动和相对启动过程进行了设计;采用管路-体积组合模块化方法,建立了发动机启动过程仿真模型,进行了仿真计算。按设计启动方案进行了多次热试车,试车结果表明发动机点火可靠,启动过程平稳,无烧蚀现象,且仿真结果很好地预示了热试车情况。     

一种简化算法的航空发动机全状态数学模型

通过一种简化的燃气空间模型对某型双转子混排加力涡扇发动机各部件进行了建模和仿真计算,并给出了详细的计算流程以及数学公式.在仿真过程中结合实际工程应用经验,对涡轮处采用一个局部的小循环迭代以减小涡轮部件内燃气空间计算的时间步长,提高计算精度.与其他数值方法相比,该简化算法避免了求解非线性方程组时大范围的循环迭代,提高了全状态数学模型的计算速度.通过仿真结果与发动机实际试车数据的对比,证明该方法有足够的计算精度.      

液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热研究

为了预测液体火箭发动机推力室的复合冷却性能,建立了推力室再生冷却通道和超临界氢的三维仿真模型以及推力室内燃气和超临界氢膜的轴对称二维仿真模型。通过边界耦合发展了液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热的数值仿真方法。对航天飞机主发动机推力室内部燃气、超临界冷却膜、室壁和再生冷却剂进行了流动与传热耦合计算仿真研究。研究表明,仿真方法可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热,计算得到航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为129MW/m2,最高壁温为885K,冷却剂温升为192K,压降为8.8MPa,结果与已有数据吻合较好。模型和仿真方法可用于液体火箭发动机推力室冷却系统传热计算和冷却结构的优化设计。     

二次启动前火箭发动机泵构件温度特性数值计算

用数值计算的方法研究了液体火箭发动机在二次启动前，发动机泵系统各构件的温度特性和泵腔含汽率。建立了基于集总参数法的发动机启动前排放过程中涡轮、泵及进口管的温度变化计算模型。排放冷却过程中冷却剂N2O4的单相强制对流换热系数用Dittus-Boelter公式计算，流动沸腾换热系数采用Shan M M强化模型。并对某液体火箭发动机二次启动前排放过程涡轮泵系统各构件温度变化和泵腔含汽率进行了计算，模型计算结果与试车数据吻合良好，研究结果表明，二次启动前的主动排放过程对泵壳体及进口管的冷却效果很好。     

1 种弹用发动机控制系统高空转速超调控制技术应用研究

为解决弹用发动机控制系统缺少发动机进口参数测量,无法实时对PI控制参数进行相似原理修正,从而导致地面点控制参数在高空不适用,产生发动机高空转速超调这一问题,基于压气机出口总压P_3重构发动机进口总压P_1对PI控制参数进行修正,设计了1种发动机进口参数测量不全条件下弹用发动机转速高空超调控制的方法。通过全数字仿真、半物理模拟试验、高空模拟试验及高空飞行试验验证该方法的有效性。     

喷管分离流动的数值模拟

针对高空喷管地面试验时产生流动分离的现象,用Ｂｅａｍ －Ｗａｒｍ ｉｎｇ 近似因式分解法求解薄层Ｎ－Ｓ方程,对分离流场进行数值模拟。预示了分离点的位置以及喷管壁面压强分布等,可以为高空发动机地面试车提供参考, 并为进一步研究分离的影响因素打下基础     

某型飞机发动机短舱热气防冰系统性能数值模拟

使用三维内外强固传热耦合方法计算校核发动机短舱热气防冰系统的性能,并分析发动机进气流量对蒙皮表面温度的影响.内、外部表面传热系数计算均采用纯三维的CFD方法,在内、外部网格数据交互时使用了距离加权反比插值法.通过计算获得发动机短舱的局部水收集系数、蒙皮表面温度的分布情况、各处溢流水量,并由此判定此防冰系统性能是否达到要求.分析表明此发动机短舱热气防冰系统符合防冰性能要求;当发动机进气流量增大时,蒙皮表面温度下降,且溢流水量增加.     

一体化小涡扇发动机系统的气动热力数值模拟

建立了一体化弹用小涡扇发动机系统含粘性力项的准三维欧拉流动模型。燃烧室中给出了燃油相对浓度系数经验分布;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。预测了巡航条件下发动机节流特性、内涵喷口几何面积对发动机性能影响,结果与其     

航空发动机静承压件适航符合性验证方法

对《航空发动机适航规定》（CCAR33-R2）新增条款CCAR33.64（静承压件）进行解读与分析,结合试验设计法、数值模拟法开展针对航空发动机静承压件适航条款的符合性验证方法和验证流程的研究.提出针对CCAR33.64的符合性验证流程,并以某型航空发动机低压涡轮后机匣的模型为例进行验证.选取机匣的最大工作压力和1.1倍最大工作压力分别作为加载条件进行数值模拟,得出最大等效应力分别为453MPa和534MPa,最大机匣变形分别为0.366mm和0.432mm,不会出现永久变形或机匣破裂的情况,满足适航要求.验证了该流程的适航符合性,为制定航空发动机静承压件适航指南提供参考依据.