基于部件特性的航空发动机性能模型修正

研究了基于部件特性修正的航空发动机稳态性能模型修正方法,并通过对部件特性的研究总结了部件特性修正因子选择原则。以此为基础,提出了基于多状态试验数据的发动机性能模型修正方法,并采用双轴涡扇发动机地面试验节流特性数据对稳态性能模型进行修正。结果表明,采用单个试验状态数据修正后的稳态性能模型不能完全满足工程使用要求,使用基于多状态试验数据修正后的节流特性转速范围内模型计算精度与修正前相比有很大提高,验证了该方法的有效性和实用性。     

一种新的航空发动机总体性能稳态模型修正方法

提出一种新的航空发动机总体性能稳态模型修正方法,并对方法中的相关参数选择原则进行了说明.在基于部件法的总体性能稳态计算模型和试验分析模型基础上,构建了部件特性修正系数和试验测量参数之间的非线性方程组,采用牛顿迭代法求解获取了部件特性修正系数,实现了总体性能稳态模型的快速修正.以双轴涡扇发动机为例对本文提出方法进行了验证...     

基于云粒子群算法的航空发动机性能衰退模型研究

压气机和涡轮是发动机的关键部件,其性能下降对发动机性能有重要影响。本文研究了压气机和涡轮的性能衰退,将部件性能衰退等价转化为部件失效因子,修正部件特性,建立了某型涡扇发动机的非线性性能衰退计算模型;提出了云粒子群优化算法,以改善迭代收敛速度慢、计算时间长的问题。基于非线性发动机性能衰退模型,进行了部件性能衰退对发动机性能影响的定量计算,所得结论为发动机状态监控提供了依据。     

基于混合遗传算法的航空发动机数学模型解法

针对发动机模型现有平衡方程迭代解法存在不收敛或计算效率差的不足,以涡轮风扇发动机为对象,结合遗传算法与牛顿-拉夫逊法的优点,设计了在模型不收敛点采用遗传算法与牛顿-拉夫逊法交替计算的平衡方程求解混合算法。理论分析与数值仿真结果表明,对于整个模型而言,该算法既保持了牛顿-拉夫逊法的高计算效率,又吸收了遗传算法全局收敛的优点,可实现模型大范围收敛。     

航空发动机部件特性修正技术研究

针对传统部件特性修正方法未考虑发动机多状态导致修正精度不高的问题,提出了1种基于粒子群优化和滑动最小二乘法的某型发动机部件特性修正方法。该方法利用粒子群优化算法分别求得在发动机不同状态下的修正系数,并以这些系数为基础,采用滑动最小二乘方法拟合修正系数曲面,从系数曲面上获取原有部件特性图上各点对应的修正系数,从而得到修正特性。试验结果表明:该方法克服了传统方法的不足,提高了特性修正精度,为开展单机监控和视情维修提供准确的部件数据基础。     

基于通用仿真框架的航空发动机性能建模研究

目前航空发动机性能模型在试飞领域的深度应用已成为数字化试飞背景下的热点,对飞行试验过程中试验点的策划与组织、风险识别与分析、试飞结果辅助分析与评估等工作具有重要的价值和意义。基于一种通用的面向对象仿真框架搭建某型双转子混排涡扇发动机的性能模型;为了提高模型的计算精度,提出一种基于实际共同工作线的旋转部件特性修正方法;通过模型在不同工况下的稳态性能及瞬态性能求解,给出该型发动机在包线范围内的性能特性和海平面标准大气环境下的推力瞬变特性。结果表明：该模型在不同工况下整机性能的计算值与实测值偏差小于3%。     

涡轴发动机部件特性修正及更新方法

针对由航空发动机零部件制造、装配及性能退化引起的发动机模型与实际发动机之间的性能不匹配问题,提出1种基于粒子群优化算法(PSO)的发动机部件特性自动修正及更新方法。根据发动机部件级模型的输出数据和发动机性能分析软件GasTurb计算结果,以发动机关键测量参数所定义的目标函数最小为优化目标,利用PSO获取不同相对换算转速下的部件特性修正因子,并在线完成特性图的自动更新。并以某型涡轴发动机为对象进行仿真验证,结果表明:该方法可有效提高涡轴发动机部件级模型的精度,并直接输出更新后的部件特性。     

一种面向航空发动机数学模型的新型修正方法

为了建立高置信度的航空发动机热力性能模型,以准确掌握发动机的性能变化,实现航空发动机非设计性能的高精度预测,提出了一种面向航空发动机数学模型的新型修正方法。在对发动机部件特性线平移和缩放的基础上,考虑旋转自由度,达到对压气机特性线旋转调整的目的。引入非线性缩放因子函数与旋转因子函数以实现在不同的工况下适应性调节压气机特性数据。基于某型涡轴发动机,开展模型修正方法仿真验证。仿真结果表明:相比于仅考虑平移与缩放双自由度的模型修正方法,所提出的考虑平移、缩放与旋转的三自由度修正方法能使模型稳态平均误差从0.901%降至0.344%,大功率变化下的模型动态平均误差从1.295%降至0.889%,模型稳动态整体修正效果分别提升了62.99%和31.31%,可满足航空发动机数学模型的高精度要求。      

基于实数编码量子进化算法和模态区间数学的航空发动机设计

本文将实数编码量子进化算法和模态区间数学相结合用于解决模态区间数学中的某些难以求解的问题。应用量子进化算法进行了模态区间数学方程组的求解和模态区间矩阵的求逆,将量子进化算法和模态区间数学用于航空发动机的设计,给出了基于模态区间数学的航空发动机总体性能设计方法。这种设计方法能够考虑设计的不确定性。并以某型涡喷发动机为例进行计算,设计结果更符合实际情况。     

基于粒子群算法的涡扇发动机气路性能修正

针对由于建模过程中条件简化及发动机零部件的差异性导致的发动机数学模型计算结果与整机性能实测数据偏差较大的问题,提出基于粒子群算法(PSO)的发动机模型修正方法,运用修正因子提高模型计算精度。将修正后发动机模型的计算结果与实测数据对比,结果表明:运用PSO算法对模型进行的修正能够显著提高模型的精度,修正前模型计算值与实测值的最大误差达4.85%,修正后最大误差只有0.97%,修正效果良好,且涡轮等后端部件比压气机等前端部件精度提高更为明显。     

辅助动力装置建模及数值仿真

为辅助APU(auxiliary power unit)的研发,以目前广泛应用的带负载压气机结构APU为研究对象,进行建模分析与研究.首先介绍了APU结构特点与调节规律,然后分析了负载压气机对APU共同工作的影响,最后采用部件法建立了该类型APU数学模型并设计仿真软件.以某型APU为对象,数值仿真与实际试车数据比较,结果表明所采用的建模方法是正确的,计算误差小于5%,所建立的模型能够满足工程需求.      

月球探测器发动机羽流辐射热流计算

火箭发动机羽流的辐射的计算需要求解气体介质的辐射传递方程(RTE).计算模型中基于单线组(SLG)模型考虑气体组分的光谱特性,并采用离散传递法(DTM)求解RTE,对波长积分得到辐射热流密度.通过对圆柱高温CO₂气团辐射热流计算来验证计算程序,然后在流场计算的基础上,计算了月球探测器主发动机和姿控发动机羽流对各部位和仪器的辐射热流密度,根据对不同工况计算结果的分析为探测器的设计提供参考.      

环形燃烧室冷态流场数值模拟中的数学方法

针对带双级径向旋流器环形燃烧室火焰筒,研究不同紊流模型(standardk-εmodel,RNG(renormalization group)k-εmodel和代数应力模型(algebraic stress model))及算法(SI MPLE(semi-i mplicitmethod for pressure-linked equations),PISO(pressure i mplicit split-operator))对复杂流场求解准确性及效率的影响.火焰筒三维贴体网格采用型线定点与偏微分方程相结合的方式生成,用壁面函数法处理近壁区域流动.计算结果表明,PISO算法提高求解效率;不同紊流模型预测结果均与试验数据符合较好,其中代数应力模型最为准确,更适用于复杂流场的数值预测.      

弹性支撑条件下裂纹齿轮体有限元模拟与仿真

将齿轮与轴的装配支撑关系考虑为弹性支撑, 采用有限元数值分析ANSYS软件对故障齿轮的动力特性进行了模拟.研究了裂纹故障发生后齿轮动力特性的变化, 分析了不同大小和不同类型的故障对齿轮体动力特性的影响.结果表明:裂纹的大小和位置对动力特性都有影响, 但裂纹发生位置的影响要大于裂纹大小的影响, 即处于齿轮结构体中部的缺陷要比处于外边缘的缺陷对动力特性影响大.另外, 探讨了仿真时设置弹性支撑边界条件的方法, 并通过与固定支撑和自由支撑边界条件的比较, 给出了弹性支撑条件下分析结果的真实性和有效性, 为齿轮故障发生机理和诊断的研究提供了一种方法.      

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。     

大涡模拟模型燃烧室燃烧性能计算

对带双级扩压器的模型燃烧室气液两相瞬态喷雾燃烧过程,在三维贴体坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法进行数值研究,同时采用多维经验分析法预估燃烧性能.采用 k 方程亚网格尺度模型模拟亚网格湍流黏性;亚网格EBU(eddy-break-up)燃烧模型预估化学反应速率;多维经验分析法计算燃烧性能;并在非交错网格体系下气相采用SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations)算法对控制方程进行求解,液相采用随机离散模型,两相之间的耦合采用PSIC(particle-source-in-cell)算法.通过大涡模拟瞬态及时均计算结果表明:与粒子图像测速仪(PIV)测量的瞬态速度场、出口温度分布试验数据吻合,表明在三维贴体坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法,数值模拟模型燃烧室两相喷雾燃烧流场,所采用的亚网格模型可以用于燃烧室气液两相喷雾燃烧流场的大涡模拟;燃烧性能计算结果与试验测量结果基本一致,说明所采用多维经验分析法可以用来数值模拟航空发动机燃烧室燃烧性能的计算,特别是污染物的预估,为设计低污染高性能航空发动机燃烧室提供有用的设计依据.      

非恒定增压式微尺度拉瓦尔喷管流动特性

针对微尺度喷流在航天器运动状态切换时出现的非恒定增压变化,采用直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法对阶跃式增压和线性式增压两种模式下的微尺度拉瓦尔喷管流场进行了模拟,并对其变化过程中的流动特性进行了对比分析。结果显示：阶跃式增压会导致流动特性出现较大幅值的峰谷式波动,而线性式增压下的流动特性则呈现出线性变化的特点;黏性力对微尺度喷流的非恒定增压变化产生了重要的黏滞作用,在喉部扩张段至出口的流场中尤为明显;在设定的条件下,阶跃式增压过程中喷流产生的总冲量较线性式增压高59.5%,质量流量高74.7%,单位工质提供的冲量低约8.6%,波动性也高于线性式模型,阶跃式增压适用于系统需要较大推力改变运动状态且推进剂充足的情况,而线性式增压在系统精确微调或需要推进剂产生更高效能时具有明显的优势。     

基于CST方法的高空低雷诺数吸附式叶型耦合优化设计

研究了一种基于类别形状函数变换（CST）方法的吸附式叶型优化设计方法,该方法可以在高空低雷诺数条件下对叶型和抽吸方案耦合优化.结果表明:优化之后在20km高空低雷诺数条件下总压损失降低了65%,静压升提高了0.02,气动性能得到较大提升.而且由于优化过程中罚函数的引入使得优化后吸附式叶型在地面条件下性能也有所提高.对于高空低雷诺数条件下吸附式叶型在抽吸位置之前适当的增加叶型负荷,再通过抽吸来控制附面层,效果最优.并且最佳抽吸位置位于层流分离泡作用区域内.在层流分离泡作用区域内抽吸可以完全消除层流分离泡对叶型性能的影响,并且可以较好控制附面层位移厚度和动量厚度的增加,有效地减小附面层内的动量损失.      

大弯角串列叶型形状及相对位置的耦合优化设计

为了提高串列叶型设计的质量,建立了一套结合改进微粒群优化算法、自适应Kriging模型、非均匀有理B样条(NURBS)参数化方法的串列叶型优化设计系统。该系统可以实现叶型形状和叶型相对位置的耦合优化设计。提出了一种改进微粒群优化算法。在微粒群算法中,自适应改变微粒的惯性因子、学习因子、邻域微粒数目可以有效地平衡算法的全局和局部寻优能力。采用人工免疫算子对微粒群进行变异处理可以有效保持种群多样性。运用NURBS方法实现了串列叶型的参数化,设计了一种NURBS控制点的扰动方法,证明了改进EI(expected improvement)准则能使Kriging模型更容易跳出局部最优解。应用该系统优化某大弯角串列叶型,优化结果表明:在设计工况,优化后叶型的总压损失系数降低了40.4%,优化后的叶型在全攻角下的总压损失系数减小了,静压升增加了,在正攻角下的性能改善更明显,证明了该研究的耦合优化设计方法具有很好的实际应用价值。     

Investigation on plume interference effect of solid propellant micro-thruster

The three-dimensional numerical simulation of two-phase plume flow of solid propellant micro-thrusters was developed. Then it was used to investigate the plume interference effect by combining the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method for multi-component gas flow with the two-way coupling model for two-phase rarefied flow. At different space between the two micro-thrusters and different wall temperature,the plume interference effect was analyzed specifically. The results show that under the plume interference effect the gas is compressed and the flow direction is changed,which resulted in the increasing of gas pressure and temperature; solid phase made no significant effect on the flow parameters of gas phase; with the rising of the space between the two micro-thrusters,the maximum pressure decreased and the maximum temperature increased in the domain under the plume interference effect; the wall temperature could influence the temperature of the gas which is extremely close to the wall,but not the gas pressure.