航空发动机三维数值仿真技术

第1章绪论 1.1航空发动机仿真的基本概念 航空发动机为各类飞行器提供动力，是大国重器之一，是航空工业的重要支柱，其发展水平是一个国家综合国力、工业基础和科技水平的集中体现，是实现国防现代化、确保国家安全的重要战略装备。随着科学技术和现代工业的发展，世界航空发动机技术呈现加速发展的态势，航空发动机已经成为一个国家的战略性支柱产业。 航空发动机正向研发是一项复杂的系统工程。传统的航空发动机研发通常依靠实物试验暴露设计问题，采用“设计—试验验证—修改设计—再试验”反复迭代的试错研制模式，造成研制周期长、耗资大、风险高。未来航空发动机技术复杂程度和性能指标要求越来越高，产品研发难度显著增大，研发进度更加紧迫，传统的研发模式已难以满足发展需求，需要实现从传统设计到预测设计的模式变革，而仿真是助推航空发动机研发模式变革的重要手段。航空发动机仿真的内涵示意见图1.1。 航空发动机仿真是指将数值仿真应用于发动机全生命周期的各个阶段，针对不同业务需要，对发动机工作中的复杂物理过程进行数值模拟分析，揭示其内部的本质规律，并进行可靠性评估或预测。通过仿真，可深化对航空发动机内部运行本质和规律的认识，提前暴露可能出现的故障、发现设计缺陷，大幅提高研制效率和质量，缩短实物试验周期，降低研制风险和成本，加快研制进程［1］。 航空发动机仿真的内涵可以从三个维度展开：在时间维度上，仿真贯穿于航空发动机的全生命周期；在结构维度上，仿真涵盖航空发动机整机、各部件／系统及零组件；在学科维度上，仿真涉及气动、传热、燃烧、强度等多个学科。具体阐述如下。 1.仿真贯穿于航空发动机全生命周期 从系统工程的角度出发，可将航空发动机的型号研制过程划分为需求定义和分析、概念设计、初步设计、详细设计、制造和试验验证、状态鉴定六大阶段，再加上批量生产阶段和使用保障阶段，即可构成航空发动机的全生命周期。 在需求定义和分析阶段、概念设计阶段：通过仿真可研究航空发动机技术指标的合理性和技术方案的可行性，典型的是进行使用环境／任务的仿真，如飞机发动机一体化仿真、总体性能仿真、控制规律仿真等。通过开展多指标通用建模及多维度缩放、整机一体化集成仿真，建立航空发动机虚拟采办应用原型系统，实现对航空发动机作战使用效能、进度、费用等重要指标的评估。 在初步设计阶段：通过仿真比较、确定总体方案，验证技术方案，并选定主要性能参数。其中开展的主要是零维和一维性能仿真，如总体性能匹配仿真、部件性能仿真、部件运动仿真、控制系统仿真等。 在详细设计阶段、制造和试验验证阶段：通过仿真确定所有的设计、工艺、试验参数，减少试错迭代过程。此时，主要开展的是高维仿真（二维、准三维、三维、非定常），包含气动仿真、燃烧仿真、结构强度仿真、材料／工艺仿真、制造仿真等。 在状态鉴定阶段：通过仿真可验证设计的合理性、正确性，如装配仿真、维修性仿真、测试性仿真、可靠性仿真等。 在批量生产阶段：通过仿真可优化、验证和确认生产技术状态，如生产调度仿真、工艺优化仿真、供应链仿真、故障模拟仿真等。 在使用保障阶段：通过仿真可完整透视实际飞行过程中发动机的运行情况，判断其磨损情况，预测合理的维护时间，实现故障前诊断和监控。 2.仿真涵盖整机、各部件／系统以及零组件 航空发动机的研制过程包含从整机到部件／系统、组件再到零件的分解与定义过程，以及从零件到整机的实现与集成过程。而数值仿真涵盖了上述整机、部件／系统、组件、零件的多个结构层次。 在整机仿真方面，主要包含整机性能仿真和整机结构强度仿真。以整机性能仿真为例，在需求定义和分析阶段、概念设计阶段，主要开展总体特性仿真等；在初步设计阶段，主要开展稳态性能仿真等；在详细设计阶段、制造和试验验证阶段、状态鉴定阶段，主要开展设计点和非设计点总体性能仿真等。 在部件／系统仿真方面，主要包含部件的气动热力仿真、结构强度仿真等，以及空气系统、燃油系统、滑油系统、机械系统仿真等。以涡轮部件的仿真为例，在需求定义和分析阶段、概念设计阶段，主要开展一维特性仿真等；在初步设计阶段，主要开展S2子午流场仿真等；在详细设计阶段、制造和试验验证阶段、状态鉴定阶段，主要开展三维气动、结构强度仿真等。 在组件、零件仿真方面，主要包含零组件的气动热力仿真、结构强度仿真等。其常用仿真方法和工具与部件／系统仿真基本一致。 3.仿真涉及多个专业学科 在进行航空发动机仿真时，将涉及气动、燃烧、传热、结构强度、气动声学、多物理场／多学科等多个专业学科。 气动仿真又称计算流体力学（computional fluid dynamics，CFD），是通过数值方法求解流体力学控制方程，并预测流体运动规律的学科。航空发动机的进排气、风扇、压气机和涡轮都涉及内部流动，因此在航空发动机研制过程中需要进行计算流体力学研究，以评估和优化发动机内部的流体力学特性［1］。 燃烧仿真又称计算燃烧学（computational combustion dynamics，CCD），是对燃烧的基本现象和实际过程进行计算机模拟的一门学科，是深入认识航空发动机燃烧过程和燃烧装置的设计及研制的重要手段［1］。 传热仿真又称计算传热学（computational heat transfer，CHT）或数值传热学（numerical heat transfer，NHT），是指对描述流动与传热问题的控制方程采用数值解法通过计算机予以求解的一门学科，是发动机防冰及热端部件冷却结构设计与优化的重要手段［1］。 结构强度仿真又称计算结构力学（computational structural mechanics，CSM），是指应用计算结构力学等方法计算从零件、组件到部件、分系统和整台发动机的结构性能，包括应力、应变、振动频率、寿命、重量、可靠性等［1］。 气动声学仿真又称计算气动声学（computational aeroacoustics，CAA），是空气动力学与声学相结合而产生的一个研究领域，其主要研究气动发声的过程，运动介质的声学特性及声与流动的相互作用，应用于发动机叶轮机和尾喷管等部件的喷流混合层、超声喷流啸音、超声喷流宽带激波相关噪声、超声速双喷流耦合噪声等复杂问题。 多物理场／多学科仿真的目的之一是多物理场耦合仿真（multiphysics coupling simulation），随着发动机性能的不断提高，各部件负荷不断提升，解耦的仿真难以反映真实物理过程。将多物理场／多学科仿真引入工程设计，对提升设计人员的技术认识、促进设计理念和设计工具的革新，具有积极意义。 1.2航空发动机仿真的作用 数值仿真技术已成为航空发动机研制全生命周期中不可或缺的重要手段，其在每个阶段所发挥的作用可概括如下。 （1）利用数值仿真技术能迅速对发动机的总体方案进行优化。 （2）通过对发动机各工况下各部件的性能仿真，优化设计流程，减少设计迭代。 （3）通过对制造工艺的仿真，可优化工艺参数，减少试加工次数，降低生产周期和成本。 （4）通过仿真技术初步构建的数字试车台、虚拟装配平台、飞／发一体化仿真平台，在一定程度上可部分代替部件试验和整机试车，提升研发效率，降低研发费用。 （5）开展航空发动机维护／维修任务仿真，可验证维护／维修可达性、维护／维修程序可行性及使用工具的合理性，并迭代优化。 （6）通过仿真技术搭建三维、可视化、可交互的培训系统平台，高效实现发动机维修操作训练、故障排除训练和技术保障训练等课程培训。 美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory，AFRL）2002年发表的研究报告表明［2］，综合考虑F100、F404、F414和F119发动机的研发情况可以得出，一个发动机研发项目理论上需要10年周期、15亿美元研制经费，以及14台整机试车用发动机，试验时数长达11000多小时。采用先进的设计仿真工具，可使总试验时数减少到7000多小时，减少约30%（表1.1）。相应地，用于试验的发动机整机数量从14台减少到9台，研制经费也可从约15亿美元减少到约7亿美元，降低幅度约为50%（表1.2）。因此，航空发动机数值仿真是进行现代航空发动机研发的重要技术手段。 1.3国外仿真技术发展研究 1.3.1国家计划层面 20世纪80年代末，西方航空强国相继制定并实施了多项航空发动机仿真技术专项研究计划，开发了多个航空发动机数值仿真系统。经过数十年的发展与应用，航空发动机仿真理论和算法已经成熟，仿真置信度较高，仿真精度已达到相当高的水平［1］（表1.3）。 美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）于1991年启动了高性能计算机和通信计划［3］，其中计算航空科学项目的目标是针对航空航天研究领域建立集成、多学科的推进系统设计优化软件和数值模拟系统。通过组织业内各方力量，将计算流体力学与其他数值仿真试验和数值仿真技术紧密结合，构建CFD集成试验系统，作为数值试验台，并应用了知识库和专家系统，对航空发动机部件和整机的性能、重量、成本及可靠性进行数值分析，在高逼真虚拟条件下获得发动机的内流数据［1］。 美国推进系统数值仿真（Numerical Propulsion Simulation system，NPSS）计划由美国国家航空航天局格伦研究中心负责，联合国防部、军方、生产厂商及有关高校和研究机构共同参与实施［4］。NPSS计划以大规模、分布式、高性能计算和通信环境为依托，采用*先进的面向对象及远程网络协同技术，针对高度复杂的航空发动机推进系统及其子系统，建立多学科的分析工程模型，实现飞机／发动机的联合仿真［5］。 俄罗斯中央航空发动机研究院制定了涡轮发动机计算机试验技术计划，并开发了燃气轮机计算机仿真系统，包括一系列高精度的计算程序（一维、S1、S2、三维）［6］，可完成对整机及其部件流道流动情况的计算，以及在综合考虑黏性损失、泄漏、引气、抽气及间隙的影响下发动机稳态参数的计算，并可扩展到非定常的过渡态计算，实现了航空发动机在不同工况下的真实工作过程以及其主要参数对效率影响的高精度模拟，支撑航空发动机设计开发和评定［1］。 欧洲通过实施VIVACE（Value Improvement through a Virtual Aeronautical Collaborative Enterprise）计划中的虚拟发动机项目，推动各发动机公司和研究机构建立了统一的行业标准，搭建了统一的仿真平台，即面向对象的推进系统性能仿真软件PROOSIS［7］，其构建的多学科协同设计系统，具有友好的用户操作界面、标准的数据接口、完善的动力系统零部件库，可针对各类航空发动机系统进行建模，功能涵盖发动机可行性研究、概念设计、详细设计、服务保障等全生命周期，目标是新型发动机研制费用降低50%，研制周期缩短30%。目前，PROOSIS已成为西方商业航空发动机公司如罗尔斯罗伊斯、通用电气、普惠和MTU公司（发动机及涡轮机联盟弗里德希哈芬股份有限公司，Motorenund TurbinenUnion Friedrichshafen GmbH）等开发新型航空发动机的首选标准工具［1］。 航空发动机仿真应用可以从三个维度展开：学科领域维、产品结构层次维、生命周期维。具体阐述如下。 1.3.2专业学科发展 1.气动仿真 20世纪40年代，电子计算机的诞生使得复杂非线性偏微分方程组的数值求解逐渐成为可能，从而引起了人们对数值求解流体力学问题（计算流体力学）的浓厚兴趣。在