液体火箭发动机系统瞬变过程模块化建模与仿真

为对发动机研制过程中多种试验方案进行仿真预示和对发动机进行结构优化，研究了液体火箭发动机系统瞬变过程模块化建模与仿真方法。提出了流体管道系统的管道一体积模块化分解方法，将组成发动机系统的典型元部件划分为21个模块，并建立了仿真数学模型。提出了一种描述模块元件及其连接关系的系统组态矩阵，以及模块的组合连接方法和组合系统的仿真计算方法。在此基础上，研制了分级燃烧循环液氧／液氢发动机系统瞬变过程的模块化建模与仿真软件(LRETMMSS)，建立了某型号液氧／液氢补燃发动机的半系统试验的仿真计算模型，进行了仿真计算，计算结果与实验数据吻合。     

航空发动机性能与二次空气系统的耦合仿真模型

提出了一种航空发动机整机全流域零维仿真方法。该方法采用模块化建模的思想,集成并实现了发动机过渡态总体性能模型与空气系统模型之间的动态数据交互和耦合求解,基于面向对象的技术开发了模块化的仿真程序,以某涡扇发动机的核心机为对象建立了仿真算例,模拟并分析了过渡过程中空气系统各引气、汇流支路的动态变化及其对发动机总体性能参数的影响。结果表明:发动机主流道与内流空气系统的动态交互作用虽然并不会显著影响发动机过渡过程总体性能参数,但却足以造成空气系统各局部支路显著的非均衡响应,这是现代高性能航空发动机精细化设计中不应忽略的因素。      

熵方程在瞬态空气系统流动方向判断中的应用

将非平衡态的熵方程应用于空气系统的求解中,推导了管道元件和节流元件内的熵产变化率的表达式,并通过熵产的非负性来判断流体的流动方向。结合模块化的建模思想,建立了瞬态空气系统流体网络法仿真程序。使用Shock-tube 模型与双腔模型进行验证。仿真结果与实验结果基本吻合,表明利用非平衡态的熵产能够准确判断瞬态空气系统中的流动方向,克服了总压判断的局限性,加速了空气系统的收敛。      

液体火箭发动机试验台贮箱增压系统数值仿真

在不考虑传热传质的情况下建立了一种简化的贮箱模型, 并采用液体火箭发动机试验台气路系统通用模块化建模与仿真软件对容腔放气过程和某试验台贮箱增压系统在发动机点火工作段的增压过程进行了仿真, 计算结果与分析解和试验结果获得了较好的一致, 验证了软件的有效性和通用性.对两个系统的建模过程表明软件所采用的模块化建模与仿真方法适用于对复杂管网的建模, 在液体火箭发动机系统仿真上具有较好的应用前景.对贮箱增压系统的仿真表明, 合理设计PID控制参数并根据经验预置与额定流量相近的调节阀初始开度, 对于提高增压系统起动过程的平稳性有利.      

高空试车台供气压缩机组动态仿真建模方法研究

针对国内高空试车台研究中缺少对供气压缩机组动态仿真研究方法的现状,提出了一种适用于该热力系统的动态仿真建模方法。基于守恒方程,获得了压缩机、管网、换热器、调节阀的动态仿真计算模型;将Greitzer压缩机模型应用到复杂热力系统的动态建模中;在容腔模型的基础上增加流动损失计算模块,提出了“容腔-损失”管网模型。在Matlab/Simulink平台上搭建了某试车台供气压缩机组动态仿真模型。将仿真结果与实验结果对比,验证压缩机、管网等部件动态仿真模型的可靠性。其中,压力、温度的仿真结果的平均误差均小于1%;与传统的容腔模型相比,“容腔-损失”管网模型误差明显减小。证明了该建模方法的精确度与可靠性。     

单孔容腔瞬态充气换热的理论分析方法

换热对于容腔瞬态响应过程有显著影响，而目前缺乏分析容腔瞬态过程换热的通用方法，导致容腔瞬态响应模拟精度较差。针对这一现状，基于自由射流、冲击射流及外掠平板换热理论，提出了一种模拟非绝热单孔容腔瞬态充气过程换热的理论方法。应用该方法模拟了容腔压力和温度的瞬态响应过程，并与试验数据进行了对比。结果表明：该理论方法的模拟结果与试验数据吻合很好，压力最大相对误差不超过3%，温度最大相对误差不超过1%，验证了理论方法的可行性和准确性。而绝热模型的模拟结果与试验数据相比，压力和温度的最大相对误差分别可达12%和14%，等温模型的压力和温度的最大相对误差分别可达6%和7%，说明理论方法显著提高了容腔瞬态响应模拟精度。同时，理论分析方法不仅具有较强的通用性，还能够极大地降低分析容腔瞬态换热的成本，可以有效支撑空气系统非绝热容腔元件建模。     

基于AMESim的涡扇发动机控制系统 综合仿真

以AMESim为平台,采用模块化的设计方法,分别建立航空发动机、传感器、燃油系统、电子控制器和执行机构数学模型.将模块封装打包建立涡扇发动机控制系统模型库,并将之组成为完整的发动机及调节器系统综合仿真平台.以主燃油控制系统为例,介绍了各仿真模块的建立过程,仿真结果表明,系统模型能反映各子系统之间的复杂集成和耦合关系,利用系统模型仿真进行组合优化能够有效提高系统性能.      

多容腔耦合的瞬态响应实验研究

为了研究多容腔耦合的瞬态响应特性,结合航空发动机空气系统结构特点,搭建了包含容腔、管道、孔等多个元件组成的系统级实验台,并开展了实验研究。同时,引入滞后时间、响应时间和响应时间系数三个评价参数,用于定量分析系统响应过程的快慢和强弱。实验分析了多容腔耦合响应过程的主要影响因素,获得了不同位置气流压力的时间响应曲线以及响应时间。实验结果显示:容积效应对腔压的变化具有明显的延缓作用,并且每个测点的延迟时间不一致,越远离扰动源滞后时间越长;响应时间与扰动压力及转盘转速相关,扰动压力越高压力响应时间越长,旋转流动对气流参数的变化具有延缓作用,在实验工况下转速提高一倍,旋转盘响应时间增加约0.5s,增幅大于10%。     

直升机的精确建模与仿真控制研究

首先概述了直升机建模与仿真问题的发展.阐明了在精确的模型下进行仿真控制的必要性和可行性.依据直升机空气动力学,尽量不简化各影响因素,建立直升机的数学模型.分析并探讨了对如此高维、非线性、强耦合的系统进行控制,应当采取怎样的策略与方法.针对现有的直升机控制,提出了一些优化设想.仿真结果表明,该控制策略是基本成功的.     

涡扇发动机涡轮空气系统流动和传热性能的CFD分析

以典型的小型涡轮风扇发动机的涡轮空气系统为研究对象,用数值计算的方法研究了包括高低压涡轮盘腔、导向器内腔、轴承腔和相连的冷却气路在内的流动和传热特性.所研究的是一个多腔相连的多进口、多出口流动与传热问题,在研究中采用了流体域和固体域整体建模耦合计算的方法.根据计算结果,分析了结构参数和气动参数对该系统,尤其是其中轴承腔的温度分布的影响规律,提出了降低轴承腔温度的措施,并分析了各项措施的降温效果.充分展示了数值计算仿真在发动机空气系统分析方面的潜力.      

伴随气泡和气穴低压管路瞬态的建模与分析

在航空航天液压系统中,为了合理地预测伴随气泡和气穴低压管路压力瞬态脉动,给出了用来描述管路流动瞬态特性的数学模型.采用有限差分法实现了偏微分方程中空间域的偏导,并建立了计算有效体积弹性模量、摩擦阻力项、气泡和气穴体积的数学模型.利用遗传算法对模型中三个参数即油中的初始气泡体积、气体析出时间常数和气体溶解时间常数进行参数辨识,得到了参数辨识以后的低压管路压力瞬态脉动模型.通过对仿真结果和实验结果的分析比较,表明该低压管路瞬态模型用于计算伴随气泡和气穴的压力瞬态脉动是可行的.      

扑翼飞行器动力系统建模方法

为快速评估扑翼飞行器的航时,便于针对不同扑动翼进行动力系统设计与优化,逐步减少实物验证与试飞,加快扑翼飞行器的研制,基于实验数据参数辨识的方法建立了包含直流无刷电机、电调（ESC）、锂电池和扑动机构等扑翼飞行器动力系统组件的动态模型,其中电机模型相对误差小于10%,锂电池动态模型相对误差小于6%;提出了一种基于风洞试验气动数据和功率数据的扑动轴瞬时气动载荷半经验高精度建模方法,解决了气动载荷测量较为困难的问题,模型确定系数大于0.89;集成以上模型后的扑翼飞行器仿真系统还包含扑动翼周期平均气动模型、平尾气动模型和纵向控制模型,确保仿真在动态配平状态下进行,可进行全任务剖面航时仿真,航时仿真与实际试飞结果相比误差小于3%。集成的扑翼飞行器仿真系统采用模块化建模思想,各模型参数独立可调,能进一步应用于扑翼飞行器多学科优化等研究。     

A novel multi-fidelity coupled simulation method for flow systems

For the numerical simulation of flow systems with various complex components, the traditional one-dimensional (1D) network method has its comparative advantage in time consuming and the CFD method has its absolute advantage in the detailed flow capturing. The proper coupling of the advantages of different dimensional methods can strike balance well between time cost and accuracy and then significantly decrease the whole design cycle for the flow systems in modern machines. A novel multi-fidelity coupled simulation method with numerical zooming is developed for flow systems. This method focuses on the integration of one-, two-and three-dimensional codes for various components. Coupled iterative process for the different dimensional simulation cycles of sub-systems is performed until the concerned flow variables of the whole system achieve convergence. Numerical zooming is employed to update boundary data of components with different dimen-sionalities. Based on this method, a highly automatic, multi-discipline computing environment with integrated zooming is developed. The numerical results of Y-Junction and the air system of a jet engine are presented to verify the solution method. They indicate that this type of multi-fidelity simulationmethod can greatly improve the prediction capability for the flow systems.     

民机冲压空气系统流动特性仿真研究

民机冲压空气系统通过机身蒙皮开口引入外界空气为飞机空调系统、辅助冷却系统和惰化系统提供合适压力与流量的冷源,其性能的优劣影响飞机的经济性与舒适性。冲压空气系统包括了进排气口、换热器、风扇和管路等部件,其内部的复杂流动特性决定了冷源流量在各个用户系统中的分配。为了在冲压空气系统的设计过程中根据各用户系统的需求完成合适的流量分配,需要通过冲压空气系统流动特性的三维仿真计算来获得。针对冲压空气同时受到机外环境和内部部件影响的特点,建立了机外远场和内部各部件仿真计算模型,通过CFD方法实现了冲压空气系统内部三维流动趋势的计算,获得了冲压空气系统流量分配结果和流道内的压力分布,为冲压空气系统的整体设计提供了参考。     

双轴燃气轮机仿真及试验验证

为解决燃气轮机仿真实时性差和仿真结果精度低等难点,采用模块化建模方法,对某型双轴燃气轮机进行建模仿真,并将仿真结果与试验结果对比后对模型进行修正:增加燃气轮机各部件特性修正系数,完善空气系统,考虑实际过程中转子的摩擦力和气动阻尼等因素的影响.在燃油调节系统中,增加了惯性环节,并对P1参数等进行了优化调整,对试验负载曲线进行优化,以减小各种干扰.结果表明,经修正后的仿真模型具有很高精度,可以对燃气轮机发电过程进行模拟,以及对燃气轮机的研制工作进行评估.     

进口流量对无管式减涡器流阻特性影响研究

为分析进口流量对压气机引气系统无管式减涡器压力损失的影响及无管式减涡器减阻效果,采用数值模拟与试验研究相结合的方法对无管式减涡器开展研究,并与直喷嘴模型进行了对比。模型试验验证了数值模拟方法的可靠性,通过数值模拟,建立了无管式减涡器流阻特性"S"形曲线三分区模型,分析了无管式减涡器各截面间压力损失及其占比随无量纲质量流量变化规律。在计算流量范围内,与直喷嘴模型相比,无管式减涡器平均可降低压气机引气系统压力损失约45.9%。在第二拐点处,共转盘腔内压力损失降低了96.44%,此时无管式减涡器减阻效果最佳,较直喷嘴模型压力损失降低了73.44%。     

二次空气系统盘腔一维非定常计算方法

通过对盘腔结构的一维算法展开研究,提出适用于具有非标准结构、包含多个进出口的复杂盘腔的一维建模规则,并采用特征线法,实现盘腔结构的一维非定常流动与换热的计算,通过将广义的变截面、有摩擦、考虑对外热交换的盘腔一维可压缩非定常流动与换热的偏微分方程组转换为常微分方程组,进而获得盘腔内部沿流动方向压力、流量、温度等系统参数的特征线数值解,采用商业计算流体软件CFX对其进行验证.结果表明:所提出的盘腔建模与计算规则能够直观且准确地描述盘腔一维非定常流动及换热特征,仿真结果与CFX计算结果最大偏差约为9.4%,可应用于具有非标准结构的多接口复杂盘腔的模拟,可以作为二次空气系统盘腔结构一维非定常计算研究的有效手段.      

基于MATLAB/Simulink的滑油系统建模仿真与优化

为分析滑油系统特性,研究其与航空发动机协同工作及设计问题,基于滑油系统元部件的流量、压力和换热特性在MATLAB/Simulink下开发了通用仿真模块库,构建了包含供油、回油、通风和热力系统的全系统仿真模型.以某型涡扇发动机及其滑油系统为例,计算了高温起飞工况下滑油系统主要工作参数值,并与商业软件Flowmaster对比计算结果,相对误差保持在3.8%以下.利用全系统仿真模型的拓展性,成功与GasTurb发动机模型进行联合仿真,使用遗传算法优化滑油系统设计参数,通过改变供油分配比例使最高回油温度降低4.12%,可为滑油系统的设计及改进提供参考.