混合维数航空发动机总体性能计算程序构架初步研究

论文摘要

航空发动机数值仿真技术可以准确地预测发动机部件的特性，了解部件相互之间的匹配关系，为设计者在设计初期提供数据参考，是航空发动机设计的关键技术。目前，发动机仿真向提高精度和多维数方向发展，本文紧跟目前技术发展趋势，在iSIGHT环境下将现有的CFD软件和0-D发动机性能计算程序结合，开发了混合维数的发动机特性计算模型，反映部件的流动细节，提高了发动机特性计算精度。本文主要包括如下内容： （1） 采用基于Broyden原理的拟牛顿法求解发动机非线性方程组，这种方法可以直接求出第一步迭代后的Jacobi矩阵，避免传统的牛顿法计算反复计算Jacobi矩阵，从而减少了发动机整机气动热力计算次数。通过分析了计算速度和收敛性，证明了拟牛顿法在求解发动机非线性方程组时，具有较快的计算速度。 （2） 开发基于iSIGHT环境的模块化的发动机计算程序，使用通用的数据接口，实现基于通用部件的发动机特性计算程序，并利用iSIGHT软件的优化功能，实现对发动机循环参数的优化设计。给出了针对某型发动机循环参数优化的结果，并对优化前后的值进行了比较，经分析优化的结果优于未经优化的循环参数。 （3） 通过在iSIGHT软件平台中集成3-D尾喷管流场计算和0-D发动机特性计算程序，实现了在发动机性能计算中对尾喷管的3-D数值缩放（Zooming），较为准确的反映了尾喷管内气流的三维流动情况，及其对尾喷管流量系数和推力系数的影响。通过0-D和3-D计算程序的迭代计算，实现对尾喷管型面和出口面积的自动修正，解决了喷管和发动机在设计点和非设计点流量匹配的问题。 （4） 开发了冲压发动机和SPART发动机的特性计算程序，实现了冲压发动机和SPART发动机的特性计算，准确的反映了冲压发动机和SPATR发动机特性。在计算中利用模块化部件程序，降低了开发难度；显示了发动机模块化通用化带来的便利和灵活性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 航空发动机特性数值仿真的发展历史
• 1.2 航空发动机特性仿真技术的产生背景以及发展过程
• 1.3 发动机特性仿真技术的发展方向
• 1.3.1 发动机特性仿真技术由零维仿真向多维仿真发展
• 1.3.2 发动机特性仿真技术由单一学科向多学科仿真发展
• 1.4 我国航空发动机特性气动仿真研究现状
• 1.5 美国的NPSS计划
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第二章 模块化的发动机部件计算模型
• 2.1 进气道模型
• 2.2 压缩系统模型
• 2.3 燃烧室模型
• 2.4 通用涡轮模型
• 2.5 混合室模型
• 2.6 喷管模型
• 2.7 性能计算
• 2.8 稳态平衡技术原理
• 第三章 基于拟牛顿法的航空发动机计算
• 3.1 牛顿迭代法原理
• 3.2 基于Broyden原理的拟牛顿法
• 3.3 发动机稳态工作误差方程和独立变量
• 3.4 算例与分析
• 3.4.1 单轴发动机性能计算牛顿法和拟牛顿法比较
• 3.4.2 混排涡扇发动机特性计算牛顿法和拟牛顿法比较
• 3.5 收敛速度和计算速度比较
• 3.6 结论
• 第四章 发动机特性程序在iSIGHT平台下的集成
• 4.1 iSIGHT平台介绍
• 4.2 iSIGHT软件的优势
• 4.3 基于iSIGHT平台的发动机特性计算程序集成
• 4.3.1 模块化的部件程序
• 4.3.2 数据接口
• 4.3.3 发动机特性计算程序
• 4.4 iSIGHT求解器的开发
• 4.5 分别排气双轴涡扇发动机优化设计
• 4.6 结论
• 第五章 Zooming技术的初步研究
• 5.1 不同维数仿真数学模型的特点与相互关系
• 5.2 Zooming技术介绍
• 5.3 发动机的Zooming技术的实现
• 5.4 三维的喷管造型及网格划分
• 5.5 iSIGHT和CFD软件实现交互
• 5.6 运用Zooming技术研究航空发动机和尾喷管设计点匹配
• 5.61 设计点Zooming技术研究
• 5.62 非设计点Zooming技术研究
• 5.7 结论
• 第六章 SPATR发动机和冲压发动机计算分析
• 6.1 SPATR发动机
• 6.1.1 SPATR发动机介绍
• 6.1.2 设计性能点数学模型
• 6.1.3 SPATR非设计性能数学模型
• 6.1.4 SPATR发动机特性计算
• 6.2 冲压发动机计算
• 6.2.1 冲压发动机介绍
• 6.2.2 进气道计算模型
• 6.2.3 冲压发动机特性计算
• 6.3 结论
• 第七章 结论与展望
• 7.1 总结
• 7.2 未解决问题
• 7.3 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢