[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

说明书

本发明公开了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，将三维彻体力模型与二维多子平行发动机部件模型有机结合，适用于分析复杂旋流畸变进气对航空燃气涡轮发动机整机性能的影响；采用三维彻体力模型描述发动机叶轮机械部件，包括多级压气机及涡轮；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；补充转子动力学方程及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；通过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。

技术领域

本发明属于航空发动机数值仿真技术领域，具体涉及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。

背景技术

传统的航空发动机设计体系中各部件的数值仿真相对独立，主要依靠后期实物试验暴露设计问题，采用设计/试验的反复迭代的研制模式，使得发动机的研制成本、周期及风险大大增加。20世纪80年代以来，西方航空强国相继实施了航空发动机整机高精度数值仿真技术专项研究计划，如美国的NPSS(Numerical Propulsion System Simulation)计划及欧盟的VIVACE(Value Improvement Through a Virtual Aeronauti-calCollaborative Enterprise)计划等，推动了航空发动机研制模式从“传统设计”到“预测设计”的变革，航空发动机整机数值模拟技术在其设计过程中发挥着愈来愈重要的作用。

数值仿真策略的工程实用性的优劣取决于其能否在计算保真度与计算效率之间寻求最佳折衷，考虑到整机的全三维CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟所需的计算资源，显然在现阶段其还很难作为工程设计的常规技术手段。另一方面，与现今迅猛发展的三维CFD技术相比，早期基于部件通用特性图的发动机零维仿真在非设计状态的计算精度十分有限，且无法研究部件内的流场细节。并且随着附面层摄入型发动机布局、大曲率S弯进气道及升力风扇等新技术在现代先进推进系统上的逐步应用，使得航空发动机进口流场畸变的三维特征日益凸显，以往以二维理论为主的低维工程计算模型受其方法的约束不能很好地反映压气机内畸变流场的三维流动特征，从而影响到对发动机复杂进气畸变下整机性能评估分析的精度水平。

作为NPSS、VIVACE等计划的关键技术成果之一的数值缩放技术，则可以在有限的计算资源下，提高发动机整机数值模拟的精度水平，从而增加发动机设计体系的保真度。数值缩放技术的一般性概念就是将更高维度、更高精度的部件仿真模型与低维整机计算模型进行有机结合，从而实现在更高精度层次对发动机整机特性进行分析，同时使得部件设计(包括总体特性、流场细节等)在整机环境下可以得到全面快速评估。目前，数值缩放技术已广泛应用于航空发动机整机数值模拟问题中，但大多聚焦于整机在均匀进气下设计/非设计点的性能计算与分析。但是，该技术理念在发动机进气畸变数值模拟方面的应用研究却鲜有公开报道，除了Cranfield大学的Pachidis等人曾将压缩部件二维流线曲率法与发动机零维仿真模型相耦合，分析了径向总压畸变对整机性能的影响(Pachidis V,Pilidis P,Templalexis I,et al.Prediction of engine performance under compressor inletflow distor-tion using streamline curvature[J].Journal of Engineer-ing forGas Turbines and Power,2007,129(1):97-103.)。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种基于数值缩放理念的预测旋流畸变进气对航空发动机整机性能影响的多维耦合计算方法，从更高精度层次分析复旋流畸变进气对航空发动机性能影响，同时为兼顾一定的计算效率以满足工程应用的需要。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：