導(dǎo)語

整機(jī)全三維仿真技術(shù)作為加快航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的數(shù)字引擎邢享，可在虛擬數(shù)字空間實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維性能高精度快速預(yù)測(cè)，解決發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)匹配問題，縮短研發(fā)周期地混、降低研制風(fēng)險(xiǎn)和成本，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)到預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的模式轉(zhuǎn)變灰蒋，加速航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)進(jìn)程务冠。

傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制采用的是“設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證萍捌、修改設(shè)計(jì)丈揖、再試驗(yàn)”反復(fù)迭代的串行研制模式，特別是整機(jī)性能更是需要通過大量的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證逗耕，這將導(dǎo)致驗(yàn)證周期長(zhǎng)旁咙、試驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)高，無法滿足當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速研制的需求[1-2]摘肤。目前椿疗，整機(jī)性能評(píng)估方法主要停留在一維階段，各個(gè)部件之間的參數(shù)傳遞精度、維度都比較低届榄，極大地影響了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能參數(shù)的準(zhǔn)確評(píng)估[3]浅乔。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維仿真已經(jīng)成為可能铝条，該技術(shù)可預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)條件下的整機(jī)性能靖苇、預(yù)估部件之間匹配工作狀態(tài)、指導(dǎo)部件之間一體化設(shè)計(jì)班缰、為部件設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)贤壁。同時(shí)，整機(jī)仿真工作有助于促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)研發(fā)從一維向三維設(shè)計(jì)發(fā)展埠忘，極大地提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)精度和水平脾拆，進(jìn)一步完善航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)體系。

研究方案

為快速形成整機(jī)全三維仿真能力莹妒，加快推進(jìn)整機(jī)仿真技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)工程研制中的轉(zhuǎn)化運(yùn)用名船，急需做到提高仿真精度和加快仿真進(jìn)度。為此拯羽，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)按照航空發(fā)動(dòng)機(jī)正向研發(fā)的思路幢耍，提出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)CFD仿真方法研究方案，如圖1所示谐创。一方面忿和，為提高整機(jī)仿真精度，通過開展整機(jī)復(fù)雜模型建模方法寸芦、網(wǎng)格生成技術(shù)渤惦、高精度求解算法等方法研究，形成一套適合工程使用的整機(jī)仿真方法與工具婆仪；另一方面舵邦，為加快仿真進(jìn)度、縮短整機(jī)仿真周期筑落，開發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)化的整機(jī)仿真平臺(tái)村参，優(yōu)化仿真流程、集成核心算法摸悲、固化仿真經(jīng)驗(yàn)梳附，最終建立整機(jī)全三維仿真設(shè)計(jì)體系，以支持航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速研制述雾。

圖1 項(xiàng)目研究方案

關(guān)鍵技術(shù)

整機(jī)全三維仿真關(guān)鍵技術(shù)主要包括高保真模型構(gòu)建技術(shù)街州、部件交界面數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)、整機(jī)全三維匹配技術(shù)玻孟、整機(jī)CFD仿真平臺(tái)集成技術(shù)唆缴。為攻克上述關(guān)鍵技術(shù)鳍征，開展了以下6個(gè)方面的研究工作。

高保真幾何建模及網(wǎng)格劃分

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型保真度問題面徽，開展了整機(jī)高保真幾何模型快速獲取方法研究艳丛。為提高模型精度，全方位梳理了發(fā)動(dòng)機(jī)各部件真實(shí)技術(shù)狀態(tài)斗忌，例如质礼，風(fēng)扇、壓氣機(jī)可調(diào)導(dǎo)向葉片根尖間隙织阳，渦輪葉片軸向、徑向間隙砰粹，可調(diào)噴管喉部面積等唧躲，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)模型保真度。掌握了整機(jī)各部件高保真物理模型快速處理方法敢俭，葉輪機(jī)部件直接采用定制葉型輸出文件乱孩，通過程序轉(zhuǎn)化輸出標(biāo)準(zhǔn)化的格式。燃燒室纽宇、加力燃燒室菲组、噴管等采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件生成三維實(shí)體，并對(duì)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化魁嚼，通過該方法解決了整機(jī)復(fù)雜模型高保真幾何建模關(guān)鍵技術(shù)庭匆，完成了整機(jī)復(fù)雜模型界面劃分及內(nèi)流域模型構(gòu)建。

隨后,開展了整機(jī)幾何模型網(wǎng)格快速劃分方法研究舌肝。針對(duì)常規(guī)的壓氣機(jī)流道及渦輪流道網(wǎng)格劃分可以采用模板化的全六面體網(wǎng)格劃分工具生成渗骆，但針對(duì)部分非常復(fù)雜的幾何模型，如發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道页更、燃燒室硝逐、加力燃燒室及噴管的網(wǎng)格劃分需要采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成工具進(jìn)行劃分。通過深入研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的分網(wǎng)策略锹嫌，將幾何結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)分網(wǎng)結(jié)果的影響規(guī)律進(jìn)行提煉和總結(jié)足蹋，最后生成自動(dòng)化分網(wǎng)腳本文件，實(shí)現(xiàn)上億級(jí)網(wǎng)格的自動(dòng)化快速劃分惯悠。通過該方法完成了整機(jī)各部件復(fù)雜模型網(wǎng)格劃分邻邮，并串裝完成整機(jī)網(wǎng)格模型，如圖2所示吮螺。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)及局部網(wǎng)格示例

可壓縮流與不可壓縮流高精度耦合仿真

為解決可壓縮流與不可壓縮流耦合仿真問題饶囚，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)鸠补、渦輪等高速可壓縮流與燃燒室及部件盤腔等低速不可壓流相互耦合仿真方法進(jìn)行了研究萝风。重點(diǎn)開展了燃燒室與渦輪部件耦合求解方法研究。從發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室與渦輪耦合仿真結(jié)果，可以看到主燃燒室核心區(qū)速度很低规惰，屬于不可壓縮流動(dòng)睬塌，渦輪導(dǎo)向器區(qū)域?yàn)楦咚俚目蓧嚎s流，通過多方位對(duì)湍流模型參數(shù)選取及交界面數(shù)據(jù)傳遞參數(shù)的設(shè)定歇万，最終實(shí)現(xiàn)了主燃燒室與渦輪高精度耦合仿真（見圖3）揩晴，獲取了不可壓縮流與可壓縮流參數(shù)的高精度耦合數(shù)據(jù)傳遞方法。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室與渦輪耦合仿真

高精度氣動(dòng)與燃燒耦合仿真

由于燃燒室或加力燃燒室內(nèi)部存在燃油的霧化贪磺、蒸發(fā)擂奇、摻混、快速化學(xué)反應(yīng)等多相流流動(dòng)特點(diǎn)易颊，而壓氣機(jī)拱削、渦輪內(nèi)部高速流動(dòng)存在高流動(dòng)曲率、激波尾跡邊界層相互作用除搞、封嚴(yán)流與主流相互摻混現(xiàn)象扎输。因此，燃燒室流動(dòng)模擬和葉輪機(jī)部件內(nèi)流存在非常明顯的差異治东，需要對(duì)氣動(dòng)與燃燒耦合仿真模型進(jìn)行針對(duì)性研究准击，從而確保較高的仿真精度。重點(diǎn)需要突破復(fù)雜反應(yīng)流和葉輪機(jī)械高速內(nèi)流高精度仿真模擬技術(shù)缔禾，并結(jié)合當(dāng)前模擬仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果胸立，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行考核驗(yàn)證和精度評(píng)判。為此衩凤，針對(duì)整機(jī)全加力狀態(tài)全三維仿真存在的燃燒模型精度低的問題唤邻，對(duì)加力燃燒模型進(jìn)行了改進(jìn)，攻克了加力出口溫度過高問題掸绞，并形成了一套具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新化學(xué)反應(yīng)模型泵三，評(píng)估精度提升40%以上。圖4為一型發(fā)動(dòng)機(jī)全加力狀態(tài)下整機(jī)全三維仿真結(jié)果衔掸，通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明烫幕，加力燃燒室出口溫度評(píng)估精度得到大幅提高，并準(zhǔn)確獲取了發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)下的性能參數(shù)敞映。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)全加力狀態(tài)高精度氣動(dòng)與燃燒耦合仿真

發(fā)動(dòng)機(jī)主流與空氣系統(tǒng)次流耦合仿真

為了認(rèn)識(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)主流路较曼、容腔流路和盤腔流路相互干擾作用下的內(nèi)部流動(dòng)特征，精準(zhǔn)評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力振愿、空氣系統(tǒng)流路詳細(xì)分配捷犹，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維仿真精度，需開展考慮主次流影響的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維仿真研究[4]冕末∑记福考慮到整機(jī)主次流全三維模型復(fù)雜侣颂、網(wǎng)格量大、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)等問題枪孩，為減小技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)憔晒，采用由簡(jiǎn)到繁、由易到難的研究方法硝迁。首先開展了考慮主次流影響的風(fēng)扇高降、壓氣機(jī)、渦輪等單部件仿真技術(shù)研究锁龙，獲取單部件主次流耦合流動(dòng)規(guī)律及仿真方法殷淮，隨后將各部件網(wǎng)格模型進(jìn)行組裝并通過賦值初場(chǎng)方式進(jìn)行計(jì)算求解，獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維主次流耦合仿真結(jié)果腺拗。通過與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比笋再，考慮了主次流耦合的整機(jī)全三維仿真結(jié)果精度更高，同時(shí)還可以精準(zhǔn)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力與整機(jī)空氣系統(tǒng)流量分配姐阎，軸向力評(píng)估精度高達(dá)5%，空氣流量分配精度為2%既帜，這為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供了良好的數(shù)據(jù)支撐作用浦匾。

整機(jī)仿真精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證整機(jī)仿真精度，提高整機(jī)仿真方法的工程適用性制私，開展了基于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及分析工作涝填，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整機(jī)全三維仿真方法的校核與精度的驗(yàn)證，發(fā)展一套高精度的整機(jī)性能預(yù)測(cè)方法揖膜。圖5為一型小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)CFD仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比誓沸，其中pt為總壓、Tt為總溫壹粟、W 為流量拜隧、π 為部件膨脹比、F 為發(fā)動(dòng)機(jī)推力趁仙，SFC為耗油率[5]洪添，經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明整機(jī)性能預(yù)測(cè)模型具有較高的評(píng)估精度，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流量偏差為1%以內(nèi)雀费，推力偏差為2%左右干奢。圖6與圖7分別給出了壓氣機(jī)與渦輪出口參數(shù)沿徑向分布與試驗(yàn)對(duì)比曲線，通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)三維仿真獲取的徑向參數(shù)分布精度為3%左右盏袄，充分表明發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維仿真技術(shù)已達(dá)到了一個(gè)較高的水平忿峻，可以直接應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。

圖5 小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

圖6 壓氣機(jī)出口總壓徑向分布

圖7 低壓渦輪出口總溫徑向分布

整機(jī)CFD數(shù)字化仿真及管理平臺(tái)

為提高整機(jī)仿真效率辕羽，實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)化逛尚、標(biāo)準(zhǔn)化輸入輸出垄惧，搭建了整機(jī)CFD數(shù)字化仿真及管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各部件模型位满、網(wǎng)格锉择、邊界條件集中統(tǒng)一管理，確保獲取的模型與網(wǎng)格能實(shí)時(shí)隨發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)技術(shù)狀態(tài)更新而自動(dòng)更新些脐。搭建完成的整機(jī)全三維仿真平臺(tái)集成了整機(jī)仿真自動(dòng)化的前后處理模塊沟脓，可實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算模型的邊界條件快速加載與整機(jī)性能參數(shù)的快速獲取，讓仿真耗時(shí)從原有的16周降低到只有4周盘肺，大幅提升了仿真效率稠臣。

結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整機(jī)性能參數(shù)的快速高精度預(yù)測(cè)，借助整機(jī)仿真灾纱，加速了發(fā)動(dòng)機(jī)的研制步伐爵倚，縮短了研制周期，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)时损，確保了“設(shè)計(jì)一次到位也您，試驗(yàn)一次成功”。目前脾膨，該方法已通過多個(gè)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的成功實(shí)踐愕炸，指導(dǎo)了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及排故工作幔嫂，充分驗(yàn)證了創(chuàng)新項(xiàng)目對(duì)加快航空發(fā)動(dòng)研制的重要意義辆它。同時(shí)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)還總結(jié)了項(xiàng)目成果履恩，全方位梳理了整機(jī)仿真流程锰茉，搭建了一套完善的數(shù)字化仿真平臺(tái)，總結(jié)出了一系列設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)切心、指南和規(guī)范飒筑，為豐富與完善研發(fā)體系建設(shè)提供了有力支撐。

（《航空動(dòng)力》作者：張衡 曾軍 張劍 吳佳玉 王智學(xué)）

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