基于蒙特卡罗法的航空发动机稳态空气系统网络计算

为了解决目前稳态空气系统算法在求解复杂网络时不容易获得收敛解的问题,将航空发动机稳态空气系统简化为由节点和元件组成的网络,借助概率思想计算连续性方程和能量方程,建立相应的随机游动模型,运用蒙特卡罗方法求解各节点的压力,再根据流量与元件两端压力的关系,计算流经各元件的流体流量。将计算得到的不同工况下航空发动机稳态空气系统内部节点的压力和流量值,与flowmaster计算结果进行比较,二者吻合较好,压力最大偏差为0.628%。蒙特卡罗方法与网络法相比,优势在于计算简便,且不会出现无法求解复杂空气系统网络的情况。     

流体网络节点残量修正算法的改进

为了提高流体网络求解的收敛性与稳定性,对网络节点残量修正算法进行改进。基于理论分析,提出使残量修正算法大范围收敛的初值赋值规律,并通过简单模型的数值分析加以验证;在节点残量修正显式迭代的基础上,提出隐式梯形迭代格式,扩大最大迭代步长。基于改进方法,以某典型航空发动机空气系统为例进行计算,获得空气系统各节点的压力、温度以及各支路的质量流量。该计算过程显示,相对于残量修正显式迭代,改进计算振荡大幅度减弱,收敛速度提高了80%以上。结果表明:改进算法有效地提高了流体网络求解的稳定性和收敛性。     

非稳态流体网络方法在发动机空气冷却系统中的应用

将流体网络法与非稳态模拟方法相结合应用到发动机空气冷却系统沿程温度、压力、流量的非稳态特性预测中.本方法将空气系统简化为节点和元件组成的网络,节点和元件处建立守恒方程,针对传统解法的计算稳定性问题引入了压力修正和积分方法相结合的求解方法.程序应用到可参考对照的模型中得到验证.验证后的程序被应用到发动机轴部冷却通道空气系统非稳态特性预测中.      

流体网络法在发动机空气冷却系统设计中的应用

将一维稳态流体网络方法应用到发动机空气冷却系统沿程压力、温度和流量预测中.该方法将空气系统简化为节点和元件组成的网络,节点和元件处建立守恒方程,在压力修正、流热耦合方法基础上引入系数迭代修正求解.程序应用到有经验关联式的模型中验证,计算结果与经验关系式吻合得较好.验证后的程序被应用到某发动机空气系统初步设计方案的校核和改进中,在模拟结果指导下的参数调整很好地满足了设计要求.      

流固网络一体化模拟方法探索及应用

推导了一种新的流体网络与固体网络一体化模拟方法编成程序应用到航空发动机空气系统及沿程固体域的温度、压力、流量预测中.该方法将模拟系统简化为节点和元件组成的网络,节点和元件处建立守恒方程,应用新的方法将流体和固体网络统一求解.程序应用到有参考结果的算例中得到验证,验证后的程序被应用到某预研航空发动机涡轮盘的流场和温度场预测中,为工程设计提供了有用的参考.      

非稳态流体网络模拟新方法及其应用

推导了一种新的非稳态流体网络模拟方法应用到流体系统沿程温度、压力、流量的非稳态特性预测中.本方法将流体系统简化为节点和元件组成的网络,节点和元件处建立守恒方程,应用压力修正和微积分方法相结合的综合方法进行模拟.程序应用到NASA的推进剂压缩模型中,并与经验关联式和NASA的程序模拟结果进行了对照,结果吻合地较好,证明了程序的可行性,验证后的程序被应用到航空发动机冷却流路模拟中.      

应用特征线法求解航空发动机瞬态空气系统

用特征线法求解瞬态航空发动机空气系统的连续方程和动量方程,单独迭代求解能量方程.计算了空气系统内流体的压力、质量流量、温度随时间的变化规律.结果表明内部节点的压力、质量流量以相近的趋势随进口压力变化,但有相应的延迟,延迟时间约为0.01s,温度随边界温度变化而变化.将准静态结果与软件Flowmaster的模拟结果对比,吻合很好,压力最大相对误差为0.051%.      

流体压缩性对发动机滑油通风系统流动特性的影响

为了研究流体压缩性对滑油通风系统流动特性的影响,通过在元件流动控制方程中引入气流马赫数,建立了考虑压缩性的元件计算模型。模型利用可压损失系数来建立元件进出口流动参数之间的关系,以确定进出口气流的马赫数。以发动机滑油通风系统为对象,进行验证计算,计算结果与试验结果非常接近,最大误差不超过4%。从元件、系统两个方面,通过计算深入分析流体压缩性的影响。结果表明:相比于不可压流动,马赫数较小时,空气流量差异很小;马赫数较大时,空气流量明显小于按照不可压流动计算的流量;对于单支路系统,出口Ma为1时可压流计算的空气流量约为不可压流的78%。应用该模型,进行通风系统的一维仿真分析,有利于较为全面地了解系统内气体流动状态和提高计算精度。     

航空发动机管路系统流动与换热的仿真平台

为分析航空发动管路系统流动与换热特性,研究管路流动与内部结构间的热流耦合问题,利用MATLAB/Simulink建模仿真工具包,开发了航空发动机管路系统通用仿真模块库,构建了管路系统特性分析平台。基于该仿真平台,建立了航空发动机管路系统流动计算模型和热流耦合计算模型。输入边界条件后运行仿真,得到了管路系统流体的压力、温度和流量,以及内部结构各节点的温度。计算结果与商业软件Flowmaster的计算值非常接近,并且流量、压力的仿真结果与试验值的相对误差保持在6.5%以下。利用该仿真平台能搭建较高精度的系统网络模型,提高系统建模效率,可应用于发动机管路系统的设计、改进等方面。     

二次空气系统一维非定常计算方法

研究了燃气轮机二次空气系统的非定常计算方法.通过将整个二次空气系统划分为两部分,特征"长"元件以及局部损失元件.特征线法用于单个特征"长"元件的求解,通过将连续方程、动量方程、能量方程构成的偏微分方程组转换为常微分方程组并联立求解,可以充分考虑内部流动与换热的相互影响;基于压力修正的流体网络法则用于由多个局部损失元件组成的局部流体网络,首先对动量方程组进行求解,进而对各自的能量方程进行求解.如何在采用这两种方法进行求解的上述两类元件之间进行数据交互将被讨论.此外,所提出的时间步长定义方法以及改进的元件计算模型使得二次空气系统的非定常分析得以实现.计算程序经与某系统定常实验数据及单个元件的非定常计算数据进行对比,在10s的计算时间内,基于特征线法得到结果与CFD数据偏差达到10.2%,结果表明该计算程序可以满足二次空气系统非定常计算的要求.     

压气机试验件空气系统仿真模拟与敏感性分析

将空气系统简化为由节点和元件组成的一维拓扑网络,建立各部分的流动控制方程组,编制了仿真程序,利用循环中点求积牛顿法对方程组进行求解。将其应用于某压气机试验件空气系统计算,并对试验件空气系统的参数进行敏感性分析,探讨影响空气系统功能的主要因素。结果表明:利用参数微分法求解同伦方程,可增大牛顿法求解的收敛速度与收敛域;在该压气机试验件中,利用卸荷腔结构和封严能力较强的篦齿封严环可以将流路有效分隔开,有利于分别实现控制目标。      

基于流体网络法的喷管冷却气流量分配计算方法

流体网络法对喷管气膜冷却问题具有独特的优势,但难以反映出入流对冷却气流道静压变化的影响。针对此引入了可反映出入流导致静压变化的管道元件,并基于孔口速度落后角对静压变化量进行了建模。验证算例表明,这一改进使沿程静压变化趋势与实际吻合较好,使冷却气流量分配计算误差降低到0.5%以下。将改进后的流体网络法与主流通道的计算流体力学模拟耦合用于分析喷管冷却气流量分配,与全计算流体力学模拟相比结果差异小于1.2%,且大幅降低计算量;在某型喷管设计中的应用表明,可以有效反映冷却结构改变对冷却气流量分配的影响。      

多项式响应面代理模型在直升机飞行性能计算中的应用

在直升机飞行性能计算中,越来越多地采用了高精度的飞行力学模型,导致计算精度和计算量之间的矛盾更加突出.采用多项式响应面代理模型可以有效解决计算精度和计算量之间的矛盾.构造多项式响应面代理模型,首先需确定拟合阶数和采样点,再使用高精度飞行力学模型计算各采样点的需用功率,然后使用修正的Gram-Schimdt正交化方法和上三角追赶法求解最小二乘法问题得到拟合系数,最后检查代理模型的拟合精度.对算例直升机进行代理模型计算结果、原始模型计算结果和试飞结果的对比,再利用代理模型进行箅例直升机气动参数可行域求解,证明本方法拟合精度高,构造过程数值稳定,相比传统原始计算,计算速度快,没有收敛性问题,方便多人协同工作和前后工作衔接,具有很高的工程实用价值.     

基于混合算法的涡轴发动机稳态性能仿真模型

以自由涡轮式涡轴发动机为研究对象,建立了涡轴发动机的稳态性能仿真模型,提出了基于天牛须算法和N+1点残量法的求解发动机模型的混合算法(BAS-N+1混合算法),利用发动机台架试车数据对仿真计算结果进行了验证。结果表明,该稳态性能仿真模型各参数的求解误差在3%以内。与PSO-N+1混合算法相比,BASN+1混合算法求解精度更高,收敛更快。BAS-N+1混合算法既保留了智能算法对初猜值误差的包容性,也拥有接近经典迭代算法的收敛速度和精度,能够实现涡轴发动机稳态仿真模型的高精度大范围快速收敛。     

基于自校正Broyden拟牛顿法的航空发动机模型数值计算

以Broyden拟牛顿法为基础结合计算发散判断和校正机制,提出自校正Broyden拟牛顿法.该算法结合牛顿法(Newton-Raphson method)平方收敛和Broyden拟牛顿法超线性收敛特性,通过自适应调整计算步长和校正函数,在非线性系统中具有更好的计算性能.以变循环发动机部件级模型为对象,应用自校正Broyden拟牛顿法进行稳态及动态仿真计算,并与牛顿法和Broyden拟牛顿法作对比.结果表明:自校正Broyden拟牛顿法对恶劣的初始计算条件适应性更高,计算速度更快且收敛能力性更强,动态计算中部件模型计算调用次数为牛顿法的15%,模型动态误差低于Broyden拟牛顿法的15%,同时也低于牛顿法的28%,动态计算最大残差量低于其他两种算法的25%.验证结果表明了自校正Broyden拟牛顿法的优越性.      

基于燃气发生器法的小型中涵道比发动机性能计算分析

为了研究小型中涵道比分排涡扇发动机装机性能,建立了基于燃气发生器法的性能计算模型。由CFD数值模拟计算喷管特性,由发动机地面台架试验及针对小型中涵道比的特点发展的修正方法获取内外涵喷管进口总压和总温的修正系数曲线,经高空模拟台试验验证,发动机最大状态下的推力计算误差≤0.5%。再基于飞行试验测试数据,计算得到发动机在装机条件下的空气流量与飞行推力,与发动机设计厂家的模型计算结果相比,发动机各状态下推力最大误差≤1.3%,流量最大误差≤2.5%。结果表明：发展的性能模型修正方法适用于小型中等涵道比涡扇发动机的装机性能确定;同时修正中等涵道比分排发动机的内外涵喷管进口压力可提高模型推力计算精度;同时修正小流量分排发动机内外涵喷管进口温度可提高流量计算精度。     

基于多核并行计算的超燃冲压发动机一维模型实时性研究

在发动机控制系统设计中,为了缩短设计周期、降低研发成本,需要建立面向控制的、较为精确的、实时性高的超燃冲压发动机性能计算模型,以保证模型精度、提高计算速度为研究目标,基于多核高性能计算仿真平台,开展了面向控制的超燃冲压发动机一维模型实时性优化工作。运用简化计算流程、改进C语言程序、开拓缓存区等方法有效提高了一维模型计算速度。创新性地尝试了计算流体力学并行化方法,对隔离段和燃烧室一维模型进行结构分解。计算网格平衡分配至多个中央处理器,并借助核间数据通讯实现多核并行计算。与串行模型计算结果对比,七核并行计算模型性能参数偏差不超过0.1%,全工况仿真时间小于30ms,计算耗时较优化前缩短了75%以上。实时性优化后的多核并行模型计算精度高、速度快、收敛性好,可以作为超燃冲压发动机控制系统设计和半实物仿真验证平台。     

粒子群混合算法在变导向器面积计算中的应用

求解非线性方程组经典方法具有严格的局部收敛性;粒子群等进化算法解决了全局收敛的问题,但计算效率偏低,存在最优解不稳定的问题。结合经典Newton-Raphson法的超线性收敛速度和粒子群算法全局收敛能力的粒子群混合算法具备2类算法的优点。在迭代初期采用粒子群算法获得的近似全局解作为Newton-Raphson算法的初始值,以确定高精度的解。利用粒子群混合算法在发动机变导向器面积的大偏离计算中获得了较好的收敛效果,解决了常规Newton-Raphson法不收敛的问题。