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航空發動機三維數值仿真技術 版權信息
- ISBN：9787030743824
- 條形碼：9787030743824 ; 978-7-03-074382-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
航空發動機三維數值仿真技術 內容簡介
本書作為航空發動機仿真軟件的參考讀物，主要包含三大部分：第1章，緒論，包含了航空發動機仿真的基本概念、作用及國內外仿真技術發展研究；第2～7章，氣動、燃燒、傳熱、結構強度、氣動聲學、多物理場／多學科等專業學科三維數值仿真涉及的基本理論、仿真方法、工程適用性分析及應用案例，站在軟件使用者角度，介紹軟件使用流程和需要注意的內容，方便軟件使用者閱讀和理解；第8章，展望，包含了新時期仿真技術的發展方向、面臨的關鍵問題、未來趨勢及展望。
航空發動機三維數值仿真技術 目錄
目錄
渦輪機械與推進系統出版項目 序
“兩機”專項：航空發動機技術出版工程 序
前言
第1章 緒論
1.1 航空發動機仿真的基本概念 001
1.2 航空發動機仿真的作用 003
1.3 國外仿真技術發展研究 005
1.3.1 國家計劃層面 005
1.3.2 專業學科發展 006
1.3.3 大規模并行計算發展 010
1.4 國內仿真技術發展研究 011
1.4.1 國家計劃層面 011
1.4.2 專業學科層面 011
1.4.3 大規模并行計算發展 016
參考文獻 017
第2章 氣動仿真
2.1 基本理論與葉輪機專用模型 021
2.1.1 基本理論 021
2.1.2 葉輪機專用模型 053
2.2 工程適用性分析 061
2.2.1 工程適用性分析的必要性 061
2.2.2 氣動仿真工程應用特點解析 062
2.2.3 氣動仿真工程應用場景分析 068
2.3 應用案例 081
2.3.1 單級風扇 081
2.3.2 某高壓渦輪 085
2.3.3 標準噴管 093
2.4 本章小結 095
參考文獻 096
第3章 燃燒仿真
3.1 湍流流動仿真 098
3.1.1 基本理論介紹 098
3.1.2 仿真模型介紹 100
3.1.3 工程適用性分析 105
3.2 燃油噴霧仿真 106
3.2.1 基本理論介紹 106
3.2.2 仿真模型介紹 108
3.2.3 工程適用性分析 116
3.3 燃油蒸發仿真 116
3.3.1 基本理論介紹 116
3.3.2 仿真模型介紹 119
3.3.3 工程適用性分析 122
3.4 湍流燃燒仿真 122
3.4.1 基本理論介紹 122
3.4.2 仿真模型介紹 123
3.4.3 工程適用性分析 148
3.5 污染物仿真 149
3.5.1 基本理論介紹 149
3.5.2 仿真模型介紹 151
3.5.3 工程適用性分析 153
3.6 應用案例 154
3.6.1 三級旋流燃燒室 154
3.6.2 某型民用主燃燒室 158
3.6.3 某型雙旋流燃燒室 160
3.6.4 高效清潔雙環腔燃燒室 166
3.7 本章小結 171
參考文獻 172
第4章 傳熱仿真
4.1 渦輪葉片流動傳熱仿真 175
4.1.1 基本理論介紹 176
4.1.2 仿真方法介紹 177
4.1.3 工程適用性分析 195
4.1.4 應用案例 196
4.2 進口部件結冰仿真 199
4.2.1 基本理論介紹 200
4.2.2 仿真方法介紹 210
4.2.3 工程適用性分析 216
4.2.4 應用案例分析 218
4.3 尾噴流紅外輻射仿真 232
4.3.1 基本理論介紹 233
4.3.2 參與性介質輻射特性計算方法 238
4.3.3 輻射傳輸計算方法與原理 244
4.3.4 工程適用性與應用案例分析 251
4.4 本章小結 257
參考文獻 258
第5章 結構強度仿真
5.1 典型構件應力仿真分析 263
5.1.1 基本理論及仿真方法介紹 263
5.1.2 應用案例 267
5.2 典型構件振動仿真分析 274
5.2.1 基本理論及仿真方法介紹 274
5.2.2 應用案例 280
5.3 典型構件壽命分析 286
5.3.1 基本理論介紹 286
5.3.2 應用案例（葉片的概率壽命計算） 299
5.4 典型構件可靠性分析 300
5.4.1 基本理論介紹 300
5.4.2 常用分布函數 301
5.4.3 結構機構可靠性分析方法 304
5.4.4 渦輪盤可靠性分析算例 306
5.5 本章小結 307
參考文獻 307
第6章 氣動聲學仿真
6.1 基于聲類比理論的聲學仿真 309
6.1.1 基本理論介紹 309
6.1.2 方法模型 311
6.1.3 工程適用性分析 318
6.1.4 應用案例 318
6.2 計算氣動聲學仿真 338
6.2.1 基本理論介紹 340
6.2.2 方法模型 344
6.2.3 工程適用性分析 359
6.2.4 工程應用案例 360
6.3 本章小結 374
參考文獻 374
第7章 多物理場/多學科仿真
7.1 燃滑油系統流動與換熱仿真 376
7.1.1 基本理論及仿真方法介紹 377
7.1.2 工程適用性分析 393
7.1.3 應用案例 394
7.2 壓氣機葉片顫振仿真 398
7.2.1 基本理論及仿真方法介紹 398
7.2.2 工程適用性分析 410
7.2.3 應用案例 410
7.3 渦輪葉片多場耦合仿真 420
7.3.1 基本理論及仿真方法介紹 420
7.3.2 工程適用性分析 427
7.3.3 應用案例 428
7.4 本章小結 440
參考文獻 441
第8章 展望
8.1 新一代信息技術與仿真融合發展新方向 444
8.1.1 數據驅動的高效、高精度仿真模型構建 444
8.1.2 智能賦能的多學科、多部件仿真模型構建 445
8.1.3 部件/整機級/飛機發動機一體化全三維高保真仿真 445
8.1.4 面向物理信息融合的數字孿生應用 446
8.2 新時期仿真技術面臨的關鍵問題 446
8.2.1 理論及方法革命 446
8.2.2 仿真系統體系的普適化 446
8.2.3 共享智慧高效仿真環境 447
8.2.4 仿真可信度評估 448
8.2.5 仿真支持跨域協同及量化決策 448
8.2.6 仿真文化轉型 449
8.3 未來趨勢及展望 449
參考文獻 450
渦輪機械與推進系統出版項目 序
“兩機”專項：航空發動機技術出版工程 序
前言
第1章 緒論
1.1 航空發動機仿真的基本概念 001
1.2 航空發動機仿真的作用 003
1.3 國外仿真技術發展研究 005
1.3.1 國家計劃層面 005
1.3.2 專業學科發展 006
1.3.3 大規模并行計算發展 010
1.4 國內仿真技術發展研究 011
1.4.1 國家計劃層面 011
1.4.2 專業學科層面 011
1.4.3 大規模并行計算發展 016
參考文獻 017
第2章 氣動仿真
2.1 基本理論與葉輪機專用模型 021
2.1.1 基本理論 021
2.1.2 葉輪機專用模型 053
2.2 工程適用性分析 061
2.2.1 工程適用性分析的必要性 061
2.2.2 氣動仿真工程應用特點解析 062
2.2.3 氣動仿真工程應用場景分析 068
2.3 應用案例 081
2.3.1 單級風扇 081
2.3.2 某高壓渦輪 085
2.3.3 標準噴管 093
2.4 本章小結 095
參考文獻 096
第3章 燃燒仿真
3.1 湍流流動仿真 098
3.1.1 基本理論介紹 098
3.1.2 仿真模型介紹 100
3.1.3 工程適用性分析 105
3.2 燃油噴霧仿真 106
3.2.1 基本理論介紹 106
3.2.2 仿真模型介紹 108
3.2.3 工程適用性分析 116
3.3 燃油蒸發仿真 116
3.3.1 基本理論介紹 116
3.3.2 仿真模型介紹 119
3.3.3 工程適用性分析 122
3.4 湍流燃燒仿真 122
3.4.1 基本理論介紹 122
3.4.2 仿真模型介紹 123
3.4.3 工程適用性分析 148
3.5 污染物仿真 149
3.5.1 基本理論介紹 149
3.5.2 仿真模型介紹 151
3.5.3 工程適用性分析 153
3.6 應用案例 154
3.6.1 三級旋流燃燒室 154
3.6.2 某型民用主燃燒室 158
3.6.3 某型雙旋流燃燒室 160
3.6.4 高效清潔雙環腔燃燒室 166
3.7 本章小結 171
參考文獻 172
第4章 傳熱仿真
4.1 渦輪葉片流動傳熱仿真 175
4.1.1 基本理論介紹 176
4.1.2 仿真方法介紹 177
4.1.3 工程適用性分析 195
4.1.4 應用案例 196
4.2 進口部件結冰仿真 199
4.2.1 基本理論介紹 200
4.2.2 仿真方法介紹 210
4.2.3 工程適用性分析 216
4.2.4 應用案例分析 218
4.3 尾噴流紅外輻射仿真 232
4.3.1 基本理論介紹 233
4.3.2 參與性介質輻射特性計算方法 238
4.3.3 輻射傳輸計算方法與原理 244
4.3.4 工程適用性與應用案例分析 251
4.4 本章小結 257
參考文獻 258
第5章 結構強度仿真
5.1 典型構件應力仿真分析 263
5.1.1 基本理論及仿真方法介紹 263
5.1.2 應用案例 267
5.2 典型構件振動仿真分析 274
5.2.1 基本理論及仿真方法介紹 274
5.2.2 應用案例 280
5.3 典型構件壽命分析 286
5.3.1 基本理論介紹 286
5.3.2 應用案例（葉片的概率壽命計算） 299
5.4 典型構件可靠性分析 300
5.4.1 基本理論介紹 300
5.4.2 常用分布函數 301
5.4.3 結構機構可靠性分析方法 304
5.4.4 渦輪盤可靠性分析算例 306
5.5 本章小結 307
參考文獻 307
第6章 氣動聲學仿真
6.1 基于聲類比理論的聲學仿真 309
6.1.1 基本理論介紹 309
6.1.2 方法模型 311
6.1.3 工程適用性分析 318
6.1.4 應用案例 318
6.2 計算氣動聲學仿真 338
6.2.1 基本理論介紹 340
6.2.2 方法模型 344
6.2.3 工程適用性分析 359
6.2.4 工程應用案例 360
6.3 本章小結 374
參考文獻 374
第7章 多物理場/多學科仿真
7.1 燃滑油系統流動與換熱仿真 376
7.1.1 基本理論及仿真方法介紹 377
7.1.2 工程適用性分析 393
7.1.3 應用案例 394
7.2 壓氣機葉片顫振仿真 398
7.2.1 基本理論及仿真方法介紹 398
7.2.2 工程適用性分析 410
7.2.3 應用案例 410
7.3 渦輪葉片多場耦合仿真 420
7.3.1 基本理論及仿真方法介紹 420
7.3.2 工程適用性分析 427
7.3.3 應用案例 428
7.4 本章小結 440
參考文獻 441
第8章 展望
8.1 新一代信息技術與仿真融合發展新方向 444
8.1.1 數據驅動的高效、高精度仿真模型構建 444
8.1.2 智能賦能的多學科、多部件仿真模型構建 445
8.1.3 部件/整機級/飛機發動機一體化全三維高保真仿真 445
8.1.4 面向物理信息融合的數字孿生應用 446
8.2 新時期仿真技術面臨的關鍵問題 446
8.2.1 理論及方法革命 446
8.2.2 仿真系統體系的普適化 446
8.2.3 共享智慧高效仿真環境 447
8.2.4 仿真可信度評估 448
8.2.5 仿真支持跨域協同及量化決策 448
8.2.6 仿真文化轉型 449
8.3 未來趨勢及展望 449
參考文獻 450
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航空發動機三維數值仿真技術 節選
第1章緒論 1.1航空發動機仿真的基本概念 航空發動機為各類飛行器提供動力，是大國重器之一，是航空工業的重要支柱，其發展水平是一個國家綜合國力、工業基礎和科技水平的集中體現，是實現國防現代化、確保國家安全的重要戰略裝備。隨著科學技術和現代工業的發展，世界航空發動機技術呈現加速發展的態勢，航空發動機已經成為一個國家的戰略性支柱產業。 航空發動機正向研發是一項復雜的系統工程。傳統的航空發動機研發通常依靠實物試驗暴露設計問題，采用“設計—試驗驗證—修改設計—再試驗”反復迭代的試錯研制模式，造成研制周期長、耗資大、風險高。未來航空發動機技術復雜程度和性能指標要求越來越高，產品研發難度顯著增大，研發進度更加緊迫，傳統的研發模式已難以滿足發展需求，需要實現從傳統設計到預測設計的模式變革，而仿真是助推航空發動機研發模式變革的重要手段。航空發動機仿真的內涵示意見圖1.1。 航空發動機仿真是指將數值仿真應用于發動機全生命周期的各個階段，針對不同業務需要，對發動機工作中的復雜物理過程進行數值模擬分析，揭示其內部的本質規律，并進行可靠性評估或預測。通過仿真，可深化對航空發動機內部運行本質和規律的認識，提前暴露可能出現的故障、發現設計缺陷，大幅提高研制效率和質量，縮短實物試驗周期，降低研制風險和成本，加快研制進程［1］。 航空發動機仿真的內涵可以從三個維度展開：在時間維度上，仿真貫穿于航空發動機的全生命周期；在結構維度上，仿真涵蓋航空發動機整機、各部件／系統及零組件；在學科維度上，仿真涉及氣動、傳熱、燃燒、強度等多個學科。具體闡述如下。 1.仿真貫穿于航空發動機全生命周期 從系統工程的角度出發，可將航空發動機的型號研制過程劃分為需求定義和分析、概念設計、初步設計、詳細設計、制造和試驗驗證、狀態鑒定六大階段，再加上批量生產階段和使用保障階段，即可構成航空發動機的全生命周期。 在需求定義和分析階段、概念設計階段：通過仿真可研究航空發動機技術指標的合理性和技術方案的可行性，典型的是進行使用環境／任務的仿真，如飛機發動機一體化仿真、總體性能仿真、控制規律仿真等。通過開展多指標通用建模及多維度縮放、整機一體化集成仿真，建立航空發動機虛擬采辦應用原型系統，實現對航空發動機作戰使用效能、進度、費用等重要指標的評估。 在初步設計階段：通過仿真比較、確定總體方案，驗證技術方案，并選定主要性能參數。其中開展的主要是零維和一維性能仿真，如總體性能匹配仿真、部件性能仿真、部件運動仿真、控制系統仿真等。 在詳細設計階段、制造和試驗驗證階段：通過仿真確定所有的設計、工藝、試驗參數，減少試錯迭代過程。此時，主要開展的是高維仿真（二維、準三維、三維、非定常），包含氣動仿真、燃燒仿真、結構強度仿真、材料／工藝仿真、制造仿真等。 在狀態鑒定階段：通過仿真可驗證設計的合理性、正確性，如裝配仿真、維修性仿真、測試性仿真、可靠性仿真等。 在批量生產階段：通過仿真可優化、驗證和確認生產技術狀態，如生產調度仿真、工藝優化仿真、供應鏈仿真、故障模擬仿真等。 在使用保障階段：通過仿真可完整透視實際飛行過程中發動機的運行情況，判斷其磨損情況，預測合理的維護時間，實現故障前診斷和監控。 2.仿真涵蓋整機、各部件／系統以及零組件 航空發動機的研制過程包含從整機到部件／系統、組件再到零件的分解與定義過程，以及從零件到整機的實現與集成過程。而數值仿真涵蓋了上述整機、部件／系統、組件、零件的多個結構層次。 在整機仿真方面，主要包含整機性能仿真和整機結構強度仿真。以整機性能仿真為例，在需求定義和分析階段、概念設計階段，主要開展總體特性仿真等；在初步設計階段，主要開展穩態性能仿真等；在詳細設計階段、制造和試驗驗證階段、狀態鑒定階段，主要開展設計點和非設計點總體性能仿真等。 在部件／系統仿真方面，主要包含部件的氣動熱力仿真、結構強度仿真等，以及空氣系統、燃油系統、滑油系統、機械系統仿真等。以渦輪部件的仿真為例，在需求定義和分析階段、概念設計階段，主要開展一維特性仿真等；在初步設計階段，主要開展S2子午流場仿真等；在詳細設計階段、制造和試驗驗證階段、狀態鑒定階段，主要開展三維氣動、結構強度仿真等。 在組件、零件仿真方面，主要包含零組件的氣動熱力仿真、結構強度仿真等。其常用仿真方法和工具與部件／系統仿真基本一致。 3.仿真涉及多個專業學科 在進行航空發動機仿真時，將涉及氣動、燃燒、傳熱、結構強度、氣動聲學、多物理場／多學科等多個專業學科。 氣動仿真又稱計算流體力學（computional fluid dynamics，CFD），是通過數值方法求解流體力學控制方程，并預測流體運動規律的學科。航空發動機的進排氣、風扇、壓氣機和渦輪都涉及內部流動，因此在航空發動機研制過程中需要進行計算流體力學研究，以評估和優化發動機內部的流體力學特性［1］。 燃燒仿真又稱計算燃燒學（computational combustion dynamics，CCD），是對燃燒的基本現象和實際過程進行計算機模擬的一門學科，是深入認識航空發動機燃燒過程和燃燒裝置的設計及研制的重要手段［1］。 傳熱仿真又稱計算傳熱學（computational heat transfer，CHT）或數值傳熱學（numerical heat transfer，NHT），是指對描述流動與傳熱問題的控制方程采用數值解法通過計算機予以求解的一門學科，是發動機防冰及熱端部件冷卻結構設計與優化的重要手段［1］。 結構強度仿真又稱計算結構力學（computational structural mechanics，CSM），是指應用計算結構力學等方法計算從零件、組件到部件、分系統和整臺發動機的結構性能，包括應力、應變、振動頻率、壽命、重量、可靠性等［1］。 氣動聲學仿真又稱計算氣動聲學（computational aeroacoustics，CAA），是空氣動力學與聲學相結合而產生的一個研究領域，其主要研究氣動發聲的過程，運動介質的聲學特性及聲與流動的相互作用，應用于發動機葉輪機和尾噴管等部件的噴流混合層、超聲噴流嘯音、超聲噴流寬帶激波相關噪聲、超聲速雙噴流耦合噪聲等復雜問題。 多物理場／多學科仿真的目的之一是多物理場耦合仿真（multiphysics coupling simulation），隨著發動機性能的不斷提高，各部件負荷不斷提升，解耦的仿真難以反映真實物理過程。將多物理場／多學科仿真引入工程設計，對提升設計人員的技術認識、促進設計理念和設計工具的革新，具有積極意義。 1.2航空發動機仿真的作用 數值仿真技術已成為航空發動機研制全生命周期中不可或缺的重要手段，其在每個階段所發揮的作用可概括如下。 （1）利用數值仿真技術能迅速對發動機的總體方案進行優化。 （2）通過對發動機各工況下各部件的性能仿真，優化設計流程，減少設計迭代。 （3）通過對制造工藝的仿真，可優化工藝參數，減少試加工次數，降低生產周期和成本。 （4）通過仿真技術初步構建的數字試車臺、虛擬裝配平臺、飛／發一體化仿真平臺，在一定程度上可部分代替部件試驗和整機試車，提升研發效率，降低研發費用。 （5）開展航空發動機維護／維修任務仿真，可驗證維護／維修可達性、維護／維修程序可行性及使用工具的合理性，并迭代優化。 （6）通過仿真技術搭建三維、可視化、可交互的培訓系統平臺，高效實現發動機維修操作訓練、故障排除訓練和技術保障訓練等課程培訓。 美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory，AFRL）2002年發表的研究報告表明［2］，綜合考慮F100、F404、F414和F119發動機的研發情況可以得出，一個發動機研發項目理論上需要10年周期、15億美元研制經費，以及14臺整機試車用發動機，試驗時數長達11000多小時。采用先進的設計仿真工具，可使總試驗時數減少到7000多小時，減少約30%（表1.1）。相應地，用于試驗的發動機整機數量從14臺減少到9臺，研制經費也可從約15億美元減少到約7億美元，降低幅度約為50%（表1.2）。因此，航空發動機數值仿真是進行現代航空發動機研發的重要技術手段。 1.3國外仿真技術發展研究 1.3.1國家計劃層面 20世紀80年代末，西方航空強國相繼制定并實施了多項航空發動機仿真技術專項研究計劃，開發了多個航空發動機數值仿真系統。經過數十年的發展與應用，航空發動機仿真理論和算法已經成熟，仿真置信度較高，仿真精度已達到相當高的水平［1］（表1.3）。 美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）于1991年啟動了高性能計算機和通信計劃［3］，其中計算航空科學項目的目標是針對航空航天研究領域建立集成、多學科的推進系統設計優化軟件和數值模擬系統。通過組織業內各方力量，將計算流體力學與其他數值仿真試驗和數值仿真技術緊密結合，構建CFD集成試驗系統，作為數值試驗臺，并應用了知識庫和專家系統，對航空發動機部件和整機的性能、重量、成本及可靠性進行數值分析，在高逼真虛擬條件下獲得發動機的內流數據［1］。 美國推進系統數值仿真（Numerical Propulsion Simulation system，NPSS）計劃由美國國家航空航天局格倫研究中心負責，聯合國防部、軍方、生產廠商及有關高校和研究機構共同參與實施［4］。NPSS計劃以大規模、分布式、高性能計算和通信環境為依托，采用*先進的面向對象及遠程網絡協同技術，針對高度復雜的航空發動機推進系統及其子系統，建立多學科的分析工程模型，實現飛機／發動機的聯合仿真［5］。 俄羅斯中央航空發動機研究院制定了渦輪發動機計算機試驗技術計劃，并開發了燃氣輪機計算機仿真系統，包括一系列高精度的計算程序（一維、S1、S2、三維）［6］，可完成對整機及其部件流道流動情況的計算，以及在綜合考慮黏性損失、泄漏、引氣、抽氣及間隙的影響下發動機穩態參數的計算，并可擴展到非定常的過渡態計算，實現了航空發動機在不同工況下的真實工作過程以及其主要參數對效率影響的高精度模擬，支撐航空發動機設計開發和評定［1］。 歐洲通過實施VIVACE（Value Improvement through a Virtual Aeronautical Collaborative Enterprise）計劃中的虛擬發動機項目，推動各發動機公司和研究機構建立了統一的行業標準，搭建了統一的仿真平臺，即面向對象的推進系統性能仿真軟件PROOSIS［7］，其構建的多學科協同設計系統，具有友好的用戶操作界面、標準的數據接口、完善的動力系統零部件庫，可針對各類航空發動機系統進行建模，功能涵蓋發動機可行性研究、概念設計、詳細設計、服務保障等全生命周期，目標是新型發動機研制費用降低50%，研制周期縮短30%。目前，PROOSIS已成為西方商業航空發動機公司如羅爾斯羅伊斯、通用電氣、普惠和MTU公司（發動機及渦輪機聯盟弗里德希哈芬股份有限公司，Motorenund TurbinenUnion Friedrichshafen GmbH）等開發新型航空發動機的首選標準工具［1］。 航空發動機仿真應用可以從三個維度展開：學科領域維、產品結構層次維、生命周期維。具體闡述如下。 1.3.2專業學科發展 1.氣動仿真 20世紀40年代，電子計算機的誕生使得復雜非線性偏微分方程組的數值求解逐漸成為可能，從而引起了人們對數值求解流體力學問題（計算流體力學）的濃厚興趣。在
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