CN102279900B - 小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统，包括涡轮气动性能虚拟试验子系统和涡轮试验环境虚拟试验子系统。本发明实施例通过涡轮虚拟试验系统，可以实现“涡轮部件设计仿真-虚拟试验+适当的部件物理试验-指导修改涡轮设计”的设计优化流程，可以减少涡轮实物试验次数，部分代替实物试验，缩短产品试验周期，同时降低试验风险和实际试验的费用。

Description

小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统

技术领域

本发明涉及发动机制造及设计技术领域，特别涉及一种小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统。

背景技术

虚拟试验技术作为数字化的试验技术，集成仿真技术、计算机技术、网络信息技术、试验技术等于一身，被认为是提高武器系统或产品研制水平，增强创新力和竞争力的有效技术手段。

现在在国外先进国家，以建模仿真技术为基础的虚拟试验已成为试验与评价工作的重要组成部分，而且有些场合可以部分地取代实物试验，成为试验与评价的新途径。

在小型涡轮发动机研制过程中，通过涡轮部件试验获得涡轮部件的真实特性，对于发动机总体性能的评估具有重要作用。而通过涡轮虚拟试验系统可以减少涡轮实物试验次数，部分代替实物试验，缩短产品试验周期，同时降低试验风险和实际试验的费用。

发明内容

本发明提出了一种小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统。

为达到上述目的，本发明一方面提出了一种小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统，包括涡轮气动性能虚拟试验子系统和涡轮试验环境虚拟试验子系统，其中，涡轮气动性能虚拟试验子系统进一步包括三维造型模块、流体动力学建模模块、组装模块、三维计算模块、后处理模块、试验报告及评估报告生成模块、数据库管理模块和用户管理模块，所述三维造型模块用于采用具有参数化建模功能的UG模块建立试验器涡壳三维模型和试验件三维模型，其中，所述参数化建模为对涡壳、试验件的几何结构运用几个结构参数进行的描述；所述流体动力学建模模块用于根据三维造型模块生成的涡壳三维模型和试验件三维模型采用CFD软件(IcemCFD或TurboGrid)进行流体动力学模型的建立，以生成涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型；所述组装模块用于对流体动力学建模模块生成的涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型按照实际的物理状态进行组装，以生成可用于气动性能试验的计算模型；所述三维计算模块用于根据设置的试验工况和试验工质结合所述组装模块生成的用于气动性能试验的计算模型进行试验仿真，并在计算之前，在关键截面设置监控点信息，该信息主要包括监控点的位置及监控参数；所述后处理模块用于根据试验结果进行后处理分析，以获得各个流面的参数分布及涡轮三维特性数据；所述试验报告及评估报告生成模块用于根据试验结果及试验情况进行总结，并完成试验报告及试验平台评估报告；所述数据库管理模块用于对数据进行管理，对虚拟试验的试验模型、试验工况参数、试验结果数据、特性曲线、参数分布图形进行存储管理，并为用户提供检索，查询和统计以及分析评估，其中，所述试验模型包括涡壳三维模型、试验件三维模型、涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型；所述用户管理模块用于对用户实行权限管理，以使不同权限人员对虚拟试验任务书、虚拟试验方案、虚拟试验模块有不同的访问、修改权限；其中，所述涡轮试验环境虚拟试验子系统进一步包括仿真计算模块、接口规范模块和优化模块，所述仿真计算模块，用于对涡轮试验台全气路系统的建模与仿真；所述接口规范模块，用于保证仿真计算过程中前台界面与后台仿真计算程序之间的数据通讯；所述优化模块，用于通过模拟退火优化算法，自动计算出各个阀门的打开情况，以对涡轮台实物试验的试验方案和操作提供参考和指导。

在本发明的一个实施例中，所述仿真计算模块进一步包括输入输出接口、主控程序子模块、典型元件模块库、管壁传热模型库、通用热物理性质库和推进剂组元等效化学式库，所述输入输出接口，用于获得驱动仿真运行的数据并输出计算过程中的相关数据；所述主控程序子模块，用于对仿真对象的组成结构进行解析，并根据解析后获得的系统结构信息进行模块化建模与仿真；所述典型元件模块库，用于保存气路系统各个模块的数值模型；所述管壁传热模型库，用于保存四种传热模型供各个模块选择合适的管壁传热模型；所述通用热物理性质库，用于提供或计算气路系统涉及到的流体介质、管壁材料的物性参数及外界环境参数，并在系统仿真时提供给各个模块使用；所述推进剂组元等效化学式库，用于保存H、C、N、O、Al、S、Cl、Ar八元素系统各个推进剂组元的等效化学式。

本发明实施例通过涡轮虚拟试验系统，可以实现“涡轮部件设计仿真一虚拟试验+适当的部件物理试验一指导修改涡轮设计”的设计优化流程，主要可达到以下效果：

1、可以减少涡轮实物试验次数，部分代替实物试验，缩短产品试验周期，同时降低试验风险和实际试验的费用；

涡轮虚拟试验技术，可以对涡轮在发动机上和部件试验台上的性能差异进行分析和评估，从而对涡轮实物试验的结果提出合理的修正意见，对涡轮的设计提出更准确的设计修改建议；

2、为整个小型涡轮发动机虚拟试验平台的搭建提供样板；

3、虚拟试验技术的采用，对于逐步实现发动机从“传统型设计”到“预测型设计”的根本转变，具有重要意义。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统结构图；

图2为本发明实施例两类虚拟试验的关系示意图；

图3为本发明实施例的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验子系统结构图；

图4为本发明实施例的虚拟试验方法流程图；

图5为本发明实施例的涡壳制作流程图；

图6为本发明实施例的试验件制作流程图；

图7为本发明实施例的全通道试验流程图；

图8为本发明实施例的制作试验大纲子流程示意图；

图9为本发明实施例涡轮试验环境虚拟子系统中气路仿真模块的结构图；

图10为本发明实施例仿真计算模块的结构图；

图11为本发明实施例优化计算工作流程图；

图12为本发明实施例接口规范模块结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为本发明实施例的小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统结构图。该小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统包括涡轮气动性能虚拟试验子系统和涡轮试验环境虚拟试验子系统。其中，涡轮试验环境虚拟试验子系统提供涡轮试验环境虚拟试验，其针对整个涡轮试验台的一维气路系统的动态流动，进行的非定常仿真，目的是考察整个试验气路的动态变化过程和规律。涡轮气动性能虚拟试验子系统提供涡轮三维气动性能虚拟试验，针对涡轮台架及被试涡轮部分，进行的涡轮/涡壳及进气/排气部分的三维流动定常模拟，目的是获得涡轮的气动特性。

在本发明的实施例中，涡轮虚拟试验可以分为两步完成：

第一步：在涡轮气动性能虚拟试验子系统进行涡轮气动性能虚拟试验，获得涡轮部件的气动特性；

第二步：使用第一步获得的涡轮气动性能数据，在涡轮试验环境虚拟试验子平台进行涡轮试验环境虚拟试验。

上述涡轮虚拟试验方法简称为“两步法”，如图2所示，为本发明实施例两类虚拟试验的关系示意图。其中第一步试验可独立存在，而第二步试验必须在第一步试验的基础上进行。

以下就对涡轮气动性能虚拟试验子系统和涡轮试验环境虚拟试验子系统进行详细介绍。

本发明实施例的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验子系统通过搭建网络化的虚拟平台实现，以对小型涡轮发动机涡轮部件的气动性能进行虚拟试验，从而短涡轮试验周期，降低试验风险和实际试验的费用。如图3所示，为本发明实施例的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验子系统结构图。该小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验子系统包括三维造型模块100、流体动力学建模模块200、组装模块300、三维计算模块400、后处理模块500、试验报告及评估报告生成模块600、数据库管理模块700、用户管理模块800。

其中，三维造型模块100主要采用具有参数化建模功能的UG模块(UnigraphicsNX)进行试验器涡壳三维模型和试验件三维模型的建立。在本发明的实施例之中，参数化建模即对涡壳、试验件的几何结构运用几个结构参数进行描述，如长度、宽度、厚度或直径、半径等。当该涡壳、试验件的结构大小发生变化时，只需修改描述该涡壳、试验件的参数值而不需要修改模型本身。

其中，流体动力学建模模块200根据三维造型模块100生成的涡壳三维模型和试验件三维模型采用CFD软件(IcemCFD和TurboGrid软件)进行流体动力学模型的建立，以生成涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型。

其中，组装模块300用于对流体动力学建模模块200生成的涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型进行组装，生成可用于气动性能试验的计算模型。具体地，将可用于气动性能试验的涡壳计算模型与试验件计算模型按照其实际的物理状态进行拼接，使其变为一个可用于计算的完整模型。

根据试验任务书设置试验工况、试验工质。三维计算模块400根据设置的试验工况和试验工质结合组装模块300生成的用于气动性能试验的计算模型进行试验仿真。在试验过程之中还可监控关键截面的参数变化。在计算之前，在关键截面设置监控点信息，该信息主要包括监控点的位置(三维坐标值)及监控参数，如压力、温度等。

后处理模块500根据试验结果进行后处理分析，以获得各个流面的参数分布及涡轮三维特性数据，并将试验结果与涡轮实物试验数据进行对比，获得两者之间的关系，例如获得涡轮特性参数如效率、功率、流量等参数的差异。在本发明的实施例之中，后处理分析包括对各流面(S1流面、S2流面、S3流面)的各参数(总温、总压、静温、静压、速度、马赫数等)分布的分析、各关键截面(叶片排进出口截面等)参数的分析、叶片损失系数、流线分布等。

试验报告及评估报告生成模块600用于根据试验结果及试验情况进行总结，并完成试验报告及试验平台评估报告。

本发明实施例的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验子系统具有数据库管理功能，可通过数据库管理模块700对虚拟试验的试验模型、试验工况参数、试验结果数据、特性曲线、参数分布图形等信息进行存储管理，并为用户提供检索，查询和统计以及分析评估的功能。

用户管理模块800用于对用户实行权限管理，以使不同权限人员对虚拟试验任务书、虚拟试验方案、虚拟试验模块有不同的访问、修改权限。该系统之中用户权限共分为三类：系统管理员、试验者或设计者、浏览者。其中，不同权限人员对虚拟试验任务书、虚拟试验方案和虚拟试验模块有不同的访问，修改权限。在用户登录进入小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验子系统之后，系统根据预设的该用户的权限确定该用户可进行的操作范围，从而保证了数据库数据的保密、可靠和一致。

如图4所示，为本发明实施例的虚拟试验方法流程图，该方法基于上述的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验子系统。该方法包括以下步骤：

步骤S401，制作涡壳，生成涡壳三维模型和涡壳流体动力学模型。其中，涡壳包括六个部件，分别是进口1(jk1)、进口2(jk2)、前盆(qp)、后盆(hp)、出口1(ck1)，出口2(ck2)。涡壳的制作过程是首先制作六个部件，然后合并六个部件生成涡壳。六个部件的制作过程是首先UG创建几何文件，生成涡壳三维模型，然后由Icem生成涡壳六个部件的流体动力学模型，最后由CFX合并六个部件的流体动力学模型，生成涡壳流体动力学模型。如图5所示，为本发明实施例的涡壳制作流程图。

步骤S402，制作试验件，生成试验件三维模型和试验件流体动力学模型。试验件的制作根据选用网格工具的不同提供两种制作方式，IcemCFD方式和TurboGrid方式。

方式一、IcemCFD方式：

首先由专门的设计软件创建静叶和动叶的点文件，然后由UG软件创建三维模型，再由IcemCFD创建静叶和动叶的流体动力学模型，最后由CFX合并静叶和动叶的流体动力学模型，生成试验件流体动力学模型。

方式二、TurboGrid方式：

首先由专门的设计软件创建静叶和动叶的点文件，然后由UG软件创建三维模型，再由TurboGrid创建静叶和动叶的流体动力学模型，最后由CFX合并静叶和动叶的流体动力学模型，生成试验件流体动力学模型。。

如图6所示，为本发明实施例的试验件制作流程图。

需要说明的是在本发明实施例之中，步骤S401和S402之间没有顺序关系。

步骤S403，进行全通道试验。首先合并涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型，然后通过设置工况参数和工质参数在合并后的涡壳和试验件上开始试验，试验后进行后处理分析，并生成试验报告。如图7所示，为本发明实施例的全通道试验流程图。如图8所示，为本发明实施例的制作试验大纲子流程示意图。

涡轮试验环境虚拟试验子系统用于模拟涡轮试验环境的虚拟试验，该虚拟试验的研究重点是涡轮试验台的进气和排气系统，在对管路的转弯、掺混、调节阀等建立数学模型的基础上，建立整个涡轮试验台的虚拟试验台，通过数值计算获取不同试验条件下各个调节阀的开度，实现整个系统的控制最优。

涡轮试验环境虚拟试验子系统包括涡轮试验台环境气路仿真模块，其为涡轮试验环境虚拟试验子系统的运算主体。该气路仿真模块包括仿真计算模块1100、接口规范模块1200和优化模块1300。如图9所示，为本发明实施例涡轮试验环境虚拟子系统中气路仿真模块的结构图。其中，仿真计算模块1100用于对涡轮试验台全气路系统的建模与仿真。接口规范模块1200用于保证仿真计算过程中前台界面与后台仿真计算程序之间的数据通讯。优化模块1300用于通过模拟退火优化算法，自动计算出各个阀门的打开情况，以对涡轮台实物试验的试验方案和操作提供参考和指导。

如图10所示，为本发明实施例仿真计算模块的结构图。该仿真计算模块1100进一步包括输入输出接口1110、主控程序子模块1120、典型元件模块库1130、管壁传热模型库1140、通用热物理性质库1150和推进剂组元等效化学式库1160。其中，输入输出接口1110是仿真程序与涡轮试验环境虚拟试验子系统界面之间的通信接口。输入输出接口1110获得驱动仿真运行的数据并输出计算过程中的相关数据。具体来说，用户在涡轮试验环境虚拟子系统界面中进行系统的模块化连接、流场与温度场网格划分及初始化、元件特性参数设置、仿真控制和输出控制、仿真及结果查看等工作，设置完毕子系统的界面会自动生成仿真计算程序可以“读懂”的系统结构矩阵、网格划分、元件初始化、元件特性参数等文件或实时控制指令驱动并控制仿真计算程序的运行，并借助接口规范程序接收处理计算过程中发送出来的相关数据。主控程序子模块1120用于对仿真对象的组成结构进行解析，并根据解析后获得的系统结构信息进行模块化建模与仿真。同时，主控程序子模块1120是仿真计算程序编译后形成的动态链接库中的唯一可调用子程序，负责协调调用仿真计算过程涉及的各个程序。典型元件模块库1130用于保存气路系统各个模块的数值模型。管壁传热模型库1140用于保存四种传热模型供各个模块选择合适的管壁传热模型。通用热物理性质库1150用于提供或计算气路系统涉及到的流体介质、管壁材料的物性参数及外界环境参数，并在系统仿真时提供给各个模块使用。推进剂组元等效化学式库1160用于保存H、C、N、O、Al、S、Cl、Ar八元素系统各个推进剂组元的等效化学式，即等效化学式中各个元素的摩尔数。

首先通过仿真计算模块1100的输入输出接口1110为主控程序子模块1120提供所需的输入数据。主控程序子模块1120根据系统结构矩阵获取系统信息以及各个元件的编码信息，并根据各个元件的编码信息对各个系统组件的属性数据进行前处理，处理完毕之后进行系统连接，然后进行仿真迭代循环，在迭代过程中会调用典型元件模块库1130、管壁传热模型库1140、通用热物理性质库1150和推进剂组元等效化学式库1160以及其他一些辅助程序模块和经过前处理的输入数据，并生成相应的输出数据，同时借助辅助函数库程序实时响应子系统界面发出的控制指令。当满足计算迭代结束条件时，仿真结束，用户可以通过涡轮试验环境虚拟试验子系统的结果显示模块或Tecplot、Microsoft Excel等商用软件对仿真结果进行显示与分析。

如图11所示，为本发明实施例优化计算工作流程图。优化模块1300归结为以目标试验条件为目标函数，以各个阀门的开度范围为约束条件的优化问题。当被试涡轮的进口空气流量和压强以及油路进口流量和目标试验条件被给定时，由优化模块1300自动计算出各个阀门的打开情况，以便对涡轮台实物试验的试验方案和操作提供参考和指导。优化算法采用目前比较常用的模拟退火算法，模拟退火算法是一种用于解决连续、有序离散和多模态优化问题的随机优化技术。为了进一步提高优化计算速度，建立优化计算经验数据库，将已经计算过的仿真结果进行保存，避免了优化计算的重复操作问题。

接口规范模块1200的定义是为了保证仿真计算过程中前台界面与后台仿真计算程序之间的数据通讯。接口规范模块1200包括辅助函数库1210、仿真数据处理类1220和仿真计算控制类1230。如图12所示，为本发明实施例接口规范模块结构图。辅助函数库模块1210用于对基于TCP/IP协议的通讯方案中所用到的函数等进行封装，以提供给仿真计算后台使用。辅助函数库模块1210包括数据接收发送子模块1211和数据包处理子模块1212。其中，数据接收发送子模块1211对Socket接口函数进行了封装，借用Fortran语言和C++语言的混合编程技术，可以使封装后Socket接口函数在Fortran语言编制的计算后台中被调用，建立以前台界面为服务器，以计算后台为客户端的TCP/IP连接，进而实现他们之间的通讯。数据包处理子模块1212实现了数据包的发送和接收处理，程序将完全按照任务书的格式对数据进行编码、解码，保证了数据传递的准确性。仿真数据处理类1220和仿真计算控制类1230的作用是进一步将对计算后台监控进行了细化，以提供给前台界面使用。仿真计算后台发送的数据经过仿真数据处理类1220进行分类处理，按照具体类型的设计要求通过仿真数据处理类1220进行显示、存储等操作。前台界面发送的开始、暂停以及停止等控制指令将通过仿真计算控制类1230进行发送。仿真数据处理类1220包括输出参数信息类1221和仿真模块信息类1222。

本发明实施例通过涡轮虚拟试验系统，可以实现“涡轮部件设计仿真一虚拟试验+适当的部件物理试验一指导修改涡轮设计”的设计优化流程，主要可达到以下效果：

1、可以减少涡轮实物试验次数，部分代替实物试验，缩短产品试验周期，同时降低试验风险和实际试验的费用；

涡轮虚拟试验技术，可以对涡轮在发动机上和部件试验台上的性能差异进行分析和评估，从而对涡轮实物试验的结果提出合理的修正意见，对涡轮的设计提出更准确的设计修改建议；

2、为整个小型涡轮发动机虚拟试验平台的搭建提供样板；

3、虚拟试验技术的采用，对于逐步实现发动机从“传统型设计”到“预测型设计”的根本转变，具有重要意义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (2)

1.一种小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统，其特征在于，包括涡轮气动性能虚拟试验子系统和涡轮试验环境虚拟试验子系统，

其中，涡轮气动性能虚拟试验子系统进一步包括三维造型模块、流体动力学建模模块、组装模块、三维计算模块、后处理模块、试验报告及评估报告生成模块、数据库管理模块和用户管理模块，

所述三维造型模块用于采用具有参数化建模功能的UG模块建立试验器涡壳三维模型和试验件三维模型，其中，所述参数化建模为对涡壳、试验件的几何结构运用多个结构参数进行的描述，其中，所述多个结构参数包括长度、宽度、厚度、直径、半径；

所述流体动力学建模模块用于根据三维造型模块生成的涡壳三维模型和试验件三维模型采用CFD软件进行流体动力学模型的建立，以生成涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型；

所述组装模块用于对流体动力学建模模块生成的涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型按照实际的物理状态进行组装，以生成可用于气动性能试验的计算模型；

所述三维计算模块用于根据设置的试验工况和试验工质结合所述组装模块生成的用于气动性能试验的计算模型进行试验仿真，并在计算之前，在关键截面设置监控点信息，该信息主要包括监控点的位置及监控参数；

所述后处理模块用于根据试验结果进行后处理分析，以获得各个流面的参数分布及涡轮三维特性数据；

所述试验报告及评估报告生成模块用于根据试验结果及试验情况进行总结，并完成试验报告及试验平台评估报告；

所述数据库管理模块用于对数据进行管理，对虚拟试验的试验模型、试验工况参数、试验结果数据、特性曲线、参数分布图形进行存储管理，并为用户提供检索，查询和统计以及分析评估，其中，所述试验模型包括涡壳三维模型、试验件三维模型、涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型；

所述用户管理模块用于对用户实行权限管理，以使不同权限人员对虚拟试验任务书、虚拟试验方案、虚拟试验模块有不同的访问、修改权限；

其中，所述涡轮试验环境虚拟试验子系统进一步包括仿真计算模块、接口规范模块和优化模块，

所述仿真计算模块，用于对涡轮试验台全气路系统的建模与仿真；

所述接口规范模块，用于保证仿真计算过程中前台界面与后台仿真计算程序之间的数据通讯；

所述优化模块，用于通过模拟退火优化算法，自动计算出各个阀门的打开情况，以对涡轮台实物试验的试验方案和操作提供参考和指导。

2.如权利要求1所述的小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统，其特征在于，所述仿真计算模块进一步包括输入输出接口、主控程序子模块、典型元件模块库、管壁传热模型库、通用热物理性质库和推进剂组元等效化学式库，

所述输入输出接口，用于获得驱动仿真运行的数据并输出计算过程中的相关数据；

所述主控程序子模块，用于对仿真对象的组成结构进行解析，并根据解析后获得的系统结构信息进行模块化建模与仿真；

所述典型元件模块库，用于保存气路系统各个模块的数值模型；

所述管壁传热模型库，用于保存四种传热模型供各个模块选择合适的管壁传热模型；

所述通用热物理性质库，用于提供或计算气路系统涉及到的流体介质、管壁材料的物性参数及外界环境参数，并在系统仿真时提供给各个模块使用；

所述推进剂组元等效化学式库，用于保存H、C、N、O、Al、S、Cl、Ar八元素系统各个推进剂组元的等效化学式。

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