基于蒙特卡罗法的航空发动机空气系统稳态算法优化

针对目前航空发动机空气系统稳态算法中收敛性依赖初值的问题,将蒙特卡罗方法与流体网络法综合应用到空气系统可压缩流体一维网络计算中,提出了一种新的计算方法Monte Carlo-Fluid Network（MC-FN）。该方法将空气系统简化为由节点和元件组成的网络,借助蒙特卡罗方法获得空气系统内各节点压力分配,再根据空气系统中各元件流阻特性和换热特性计算流量、温度。计算中通过将游动次数比较少的蒙特卡罗方法的计算结果作为流量残差法节点压力、温度的初始值,实现快速求得精确收敛解。与流量残差算法相比,MC-FN方法计算精度不变,收敛速度提升了66.5%;与线性求解法相比,MC-FN方法的计算精度提升了25.2%,收敛速度提升了43.8%。     

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.      

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%.      

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.      

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。     

构建航空发动机滑油系统稳态模型

研究模拟不同飞行条件下滑油系统稳态工作对滑油系统的设计和故障诊断具有重要的参考价值。基于部附件特性，提出了依据8个航空发动机性能参数，用向量计算和插值算法取代迭代算法来构建滑油系统稳态模型的方法，并对发动机在海平面、最大工作状态条件下的滑油系统性能参数进行了验证计算。计算结果与设计数据吻合较好，误差在5％以内，表明所建立的稳态模型是有效的。滑油在各轴承腔和齿轮箱中的流量分配随空气压力变化，计算误差主要来自轴承腔和齿轮箱压力分布假设，为进一步提高计算精度，必须建立航空发动机内部空气系统模型。     

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.     

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。     

某型航空发动机火焰筒流量对比试验研究

针对某型发动机在研制过程中频繁发生单位燃油消耗率(SFC)过高的故障,在自行设计的航空发动机燃烧室火焰筒流量测试试验器上,运用模拟压比和模拟马赫数准则,采用冷吹风流量试验法,对比测试了某型发动机燃烧室与原型燃烧室火焰筒空气的流量,并对测试数据进行分析.试验结果表明:发动机燃烧室火焰筒流量分布均匀,与原型燃烧室火焰筒流量相同.该试验法耗时短、成本低,对开展燃烧室火焰筒内空气流量研究具有借鉴意义.     

基于有限元法的输液管路稳定性可靠性研究

为分析航空发动机空间管路系统的稳定性可靠性问题,提出了一种采用有限元法和蒙特卡洛法相结合的分析方法。方法中采用有限元法建立空间管路系统流固耦合模型,定义了稳定性失稳的极限状态函数,采用蒙特卡洛法进行稳定性可靠度计算。典型工程算例的计算结果表明:给定流体流速的均值,发散失稳的概率随流体流速的变异系数可能增加或减小;给定流体流速的变异系数,随流体流速均值的增加,管路系统稳定性极限状态函数由服从连续概率密度函数变为服从混合概率密度函数。研究结果对于航空发动机输液管路的稳定性可靠性设计和评估具有参考价值。      

航空发动机机匣内部油路压力损失试验与计算研究

为给航空发动机燃油泵和滑油泵的出口压力设计提供依据,采用试验测试和数值模拟研究了附件传动机匣内部复杂油路的压力损失。对发动机机匣内部变管径、变转折角等多种复杂油路在不同供油流量时的压力损失进行了试验测试,获得了典型结构油路的压力损失数据和变化规律;采用FLUENT软件对试验油路进行计算并与试验结果比较分析,获得了不同流动和几何参数条件下的复杂油路计算精度和计算方法的适用性结论。研究成果对航空发动机燃、滑油系统内部油路的设计具有工程指导意义。     

航空发动机滑油通风系统性能计算仿真

采用自主研发的航空发动机滑油通风系统性能分析软件,对某型发动机通风流路进行了数值仿真。数值仿真以流动换热的网络算法为基础,经过结构分析,构建了通风流路仿真元件与节点组成的网络仿真模型。在给定实验条件下,数值仿真了稳态情况下通风流路腔室节点的压力,各密封装置泄漏量的分配。最终的仿真结果与实验参考值的误差在l％以内,验证了数值仿真方案的精度。     

共因失效相关同级叶片系统可靠性分析

为了准确地分析航空发动机的可靠性,针对航空发动机失效模式多、相关性复杂的特点,在考虑失效模式相关性的基础上,建立了共因失效相关的结构系统可靠性模型。采用蒙特卡罗法和近似数值分析法对航空发动机同级叶片系统在叶片静强度不足失效、叶片外缘变形碰摩失效及考虑2种失效模式下的可靠度进行了计算分析。分析表明与共因失效相关的可靠性模型相比,传统的不考虑失效模式相关性的可靠性模型使可靠度评估过于保守。近似数值分析法在保持与蒙特卡罗法计算精度相同的情况下,能够大幅提高计算效率。     

某型发动机压气机轮盘结构可靠性分析

对某型发动机压气机第2级轮盘进行了结构可靠性分析。考虑了材料属性和载荷的随机性对结构安全的影响,对其进行了确定性分析;分别采用蒙特卡罗法和响应面法计算了轮盘结构可靠度,并对其随机性的影响因素进行了灵敏度分析。     

航空发动机室内台架推力测量修正方法研究

为解决缺少标准发动机而不能对试车台进行定期校准来确定试车台推力修正值的问题,通过数据统计分析方法,得到台架的发动机推力修正值;通过台架气动流场参数测试,计算出气动冲量、喷口负压和迎风阻力等对发动机推力的影响,并根据验证统计数据,分析了推力修正值的合理性。