[发明专利]高空台空气管路系统气动特性计算方法和系统

说明书

本发明提供了一种高空台空气管路系统气动特性计算方法和系统，包括：基于高空台管路系统的管路结构，绘制等效管路系统；基于目标守恒定理，建立等效管路系统的气动数学模型；对气动数学模型进行离散化处理，建立目标离散数学模型；基于高空台管路系统的稳态初始条件和边界条件，利用目标离散数学模型计算高空台管路系统的气动特性参数；气动特性参数包括：进出阀门的气流的物理参数随时间的变化，直管道和多通管道内的气流的物理参数随时间的变化，直管道和多通管道的管壁的物理参数随时间的变化。本发明缓解了现有技术中存在的模型适应性范围窄、难以对整个管路系统气动参数进行计算的技术问题。

技术领域

本发明涉及航空发动机高空模拟试验技术领域，尤其是涉及一种高空台空气管路系统气动特性计算方法和系统。

背景技术

空气管路系统包括空气管道和调节阀，是航空发动机高空模拟试车台(简称高空台)的重要组成部分，主要用于空气气流(以下简称气流)的输送、调节和掺混。空气管路系统气动特性的计算在发动机进排气参数调节、仿真系统开发、试验工艺流程设计等方面起着重要作用。

高空台空气管路系统气动特性的计算主要有两种途径：一是利用商用软件对管路系统进行结构建模和流场仿真计算，一是开发管路系统机理模型、设计计算程序并进行计算分析。前者可以利用成熟的商用软件进行计算，无需深入了解计算机理和计算求解细节，但因代码封装、计算量大等原因使得模型和计算结果很难植入到PLC工控程序中，且难以在半物理仿真和实时仿真系统中直接应用，限制了商用软件在高空台空气管路系统气动参数控制的应用。为了计算高空台空气管路系统的气动特性，美国阿诺德工程发展综合体、加拿大国家研究委员会和德国斯图加特大学等针对高空台空气管路系统开发了基于集总参数模型的气动特性计算方法，但该集总参数模型只能计算管路容腔内气流的平均气动参数，无法计算管路沿程的气体参数，模型适用性范围窄，难以对整个管路系统气动参数进行计算，尤其是在分析多流入、多流出的复杂管路系统气动特性时集总参数模型难以发挥作用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高空台空气管路系统气动特性计算方法和系统，以缓解现有技术中存在的模型适应性范围窄、难以对整个管路系统气动参数进行计算的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种高空台空气管路系统气动特性计算方法，包括：基于高空台管路系统的管路结构，绘制等效管路系统；所述等效管路系统包括：阀门、恒压源、直管道和多通管道；基于目标守恒定理，建立所述等效管路系统的气动数学模型；所述目标守恒定理包括：能量守恒定理，质量守恒定理和动量守恒定理；对所述气动数学模型进行离散化处理，建立目标离散数学模型；基于所述高空台管路系统的稳态初始条件和边界条件，利用所述目标离散数学模型计算所述高空台管路系统的气动特性参数；所述气动特性参数包括：进出所述阀门的气流的物理参数随时间的变化，所述直管道和所述多通管道内的气流的物理参数随时间的变化，所述直管道和所述多通管道的管壁的物理参数随时间的变化。

进一步地，对所述气动数学模型进行离散化处理，建立目标离散数学模型，包括：将所述直管道内壁所包围的圆柱形空腔设置为目标控制体；按照轴向将所述目标控制体划分为等分的多个子控制体；其中，每个子控制体内气体的物性参数均匀一致，所述每个子控制体的中心存储内部气体的质量、能量、密度、温度、压力和速度，所述每个子控制体的端面存储内部气体的流量；所述每个子控制体内的气体，通过前后端面与相邻的子控制体进行流量、能量和动量的交互，通过管道壁面与所述直管道进行传热；基于所述多个子控制体，建立目标离散数学模型。

进一步地，所述阀门包括进口阀和出口阀，所述恒压源包括进口恒压源和出口恒压源，所述直管道包括进口管道和出口管道；所述进口管道和所述出口管道的数量分别为至少一个；所述目标离散数学模型包括：所述进口管道的第一个子控制体的前端面流量，等于所述进口阀的流出流量或所述多通管道的流出流量；所述进口管道的前端面温度，等于所述进口阀前的温度或所述多通管道的容腔内温度；所述出口管道的最后一个子控制体的后端面流量，等于所述出口阀的流出流量或所述多通管道的进口流量。