[发明专利]一种预测旋流畸变进气对航空发动机性能影响的计算方法

权利要求书

1.一种预测旋流畸变进气对航空发动机性能影响的计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：采用三维彻体力模型描述发动机叶轮机械部件，所述发动机叶轮机械部件包括多级压气机和多级涡轮；将叶片固壁边界效应转化为非定常流动方程中以场的形式分布的源项，允许以相对规整的粗网格快速捕获叶轮机械内三维流动的大尺度特征；

步骤2：采用二维多子平行发动机部件模型描述燃烧室及尾喷管；在二维非定常流动方程中添加轴向力源项描述尾喷管中通流面积的变化对气体流速的影响，添加热源项描述燃烧室对气流的加热作用；

步骤3：在三维模型与二维模型之间设置数值传递交接面，实现三维与二维计算之间的转换；在每一时间步中，三维模型将交接面上的每一个周向位置的总压、总温及周向速度进行径向平均后沿流向传递给二维模型，作为其进口边界条件；同时，二维模型将交接面上计算获得的各周向扇区的静压沿相反方向传递给三维模型作为其出口边界。

步骤4：补充转子动力学方程和发动机控制规律，实现涡轮与压气机之间的功平衡计算，实时确定发动机转速大小；

所述压气机和涡轮功平衡计算中，补充如下转子动力学方程：

其中I为转子转动惯量，M_T和M_C分别表示涡轮和压气机转子的扭矩；压气机与涡轮扭矩分别由三维彻体力模型根据实时气动参数确定；指定发动机控制规律，调节供油量，改变燃烧室热源项大小，继而改变涡轮前燃气温度，起到调节涡轮扭矩的作用；通过比较压气机扭矩及涡轮扭矩差异根据上式确立发动机实时转速。

步骤5：在压气机进口边界施加大尺度旋流畸变进气，基于时间推进求解获取旋流畸变对航空发动机整机性能影响及压缩系统在整机环境下的内部畸变流场特征。

2.根据权利要求1所述的一种预测旋流畸变进气对航空发动机性能影响的计算方法，其特征在于：所述步骤1中通过三维彻体力模型将叶片固壁边界效应转化为非定常流动方程中以场的形式分布的源项，如下所示：

S_F＝[0 F_z F_θ F_r F_θΩr]^T

其中F为单位体积气体受到的叶片力，Ω为转子叶片旋转角速度，z、θ及r分别表示轴向、周向及径向；

利用公式：

将叶片力分解为非粘性力和粘性力f，其中粘性力f用于模拟由叶片附面层流动造成的相关气流损失，非粘性力主要用于体现叶片对气流的转折作用，z、θ及r分别表示轴向、周向及径向。

3.根据权利要求1所述的一种预测旋流畸变进气对航空发动机性能影响的计算方法，其特征在于：所述步骤2中二维多子平行发动机部件模型通过在二维非定常动量方程中添加轴向力源项F_z描述尾喷管中通流面积的变化对气体流速的影响，通过在二维非定常能量方程中添加热源项Q描述燃烧室对气流的加热作用，如下式：

其中ρ为气体密度，v为气流速度，p为气流静压，h^*为气流总焓，A为流道面积。

4.根据权利要求1所述的一种预测旋流畸变进气对航空发动机性能影响的计算方法，其特征在于：所述步骤5中施加大尺度旋流畸变进气方式如下：

在压气机进口边界指定周向气流角α及径向气流角γ的具体分布，如下所示：

其中θ及r分别表示周向及径向；以此方式施加大尺度旋流畸变进气，通过时间推进求解可获取旋流畸变对航空发动机整机性能影响及压缩系统在整机环境下的内部畸变流场特征。