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。     

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.      

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。     

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.      

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.     

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。