CN102967465A - 燃料室虚拟试验方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种燃料室虚拟试验方法及系统。其中，系统包括：燃料室气动性能虚拟试验子系统，用于通过燃料室一维和三维的气动性能虚拟试验，获得燃料室部件的气动性能数据和气动模型，其中，气动性能数据包括燃料室进出口的热力参数之间的关系；以及燃料室虚拟试验环境子系统，用于根据燃料室部件的气动性能数据和气路组件模型进行燃料室试验环境虚拟试验，获得整个试验气路的流动情况。根据本发明实施例的系统，通过对燃料室各个部件建立模型，获得不同条件下整个系统的气动模型，从而减少燃烧室实物试验的次数、由虚拟试验代替部分代替实物试验，缩短产品试验周期，同时降低试验风险和实际成本。

Description

燃料室虚拟试验方法及系统

技术领域

本发明涉及发动机虚拟试验技术领域，特别涉及一种燃料室虚拟试验方法及系统。

背景技术

虚拟试验技术在上个世纪八十年代开始兴起，在国防领域尖端的武器系统研制中应用较多。虚拟试验技术作为数字化的试验技术，集仿真技术、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的研制水平，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武器系统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，成为武器系统试验与评价的新途径。

国外实践证明，研制过程采用先进的虚拟试验技术是克服巨额投资、缩短研制周期、弥补大型试验设施能力不足的主要技术途径。在国外，研制过程中的试验和评价已经广泛应用建模和仿真、虚拟试验和虚拟测试技术，利用完善的数据库和仿真模型进行试验和评价，试验与测试工作在产品的设计阶段得到充分进行，产品的使用缺陷有85%是在设计验证中发现的。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为达到上述目的，本发明一方面的实施例提出一种燃料室虚拟试验系统，包括：燃料室气动性能虚拟试验子系统，用于通过燃料室一维和三维的气动性能虚拟试验，获得燃料室部件的气动性能数据和气动模型，其中，所述气动性能数据包括燃料室进出口的热力参数之间的关系；以及燃料室虚拟试验环境子系统，用于根据所述燃料室部件的气动性能数据和气路组件模型进行燃料室试验环境虚拟试验，获得整个试验气路的流动情况，其中，热力参数包括各排进气孔局部流阻φ_Mi，

各排进气孔的总流阻φ_fM，

火焰筒各排孔的进气百分比K_i，

各截面的余气系数α_i，

火焰筒热阻损失φ_Mh，

气流通过扩压器的扩张损失φ_g，

气流通过扩压器的扩张损失φ_g，燃烧室总流阻系数φ_M，φ_M=φ_g+φ_fM+φ_Mh。燃烧室总压恢复系数σ_c，

燃烧室容热强度Q_VC，

根据所求取的所述参数进行燃料室虚拟试验获得气路流动情况。。

根据本发明实施例的系统，通过对燃料室各个部件建立模型，获得不同条件下整个系统的气动模型，从而减少燃烧室实物试验的次数、由虚拟试验代替部分代替实物试验，缩短产品试验周期，同时，降低试验风险和实际费用。

本发明的一个实施例中，所述燃料室气动性能虚拟试验子系统具体包括：组件模块，用于导入燃料室气动性能虚拟试验子系统所获取的燃料室几何模型和流体力学模型并将其进行组装生成折流式的燃烧室一维气动模型；以及计算模块，用于根据所述流式的燃烧室一维气动模型通过流阻法和一元流法迭代计算出火焰筒的沿程气动热力参数，获得燃烧室的气动特性。

本发明的一个实施例中，所述步骤燃料室虚拟试验环境子系统具体包括：气路仿真模块，用于根据所述燃料室部件的气动性能数据和气路组件模型进行燃料室试验环境虚拟试验建立整个燃料室的虚拟试验系统；以及虚拟试验环境平台模块，用于根据整个燃料室的虚拟试验系统计算不同试验条件下整个气路系统的流动情况。

本发明的一个实施例中，所述气仿真模块具体包括：接口规范子模块，用于将所述路仿真模块与所述虚拟试验环境平台模块之间建立数据通讯；仿真计算子模块，用于根据各个气动模型从整个模型中剥离出来与所述气动数据建立仿真模型；以及优化子模块，用于在不同试验条件下对所述各个启动仿真模型进行优化。

本发明的一个实施例中，所述仿真计算子模块具体包括：输入输出单元，用于与所述接口规范子模块建立数据通讯使所述接口规范子模块与仿真计算子模块进行数据交互；控制单元，用于控制仿真计算过程涉及的各个程序；组件单元，用于建立气路系统各个模块的数值模型；以及物理性质单元，用于为所述模型提供流体介质、管壁材料的物性参数和外界环境参数。

为达到上述目的，本发明的实施例另一方面提出一种燃料室虚拟试验方法，包括以下步骤：S1：通过燃料室一维和三维的气动性能虚拟试验，获得燃料室部件的气动性能数据和气动模型，其中，所述气动性能数据包括燃料室进出口的热力参数之间的关系；以及S2：根据所述燃料室部件的气动性能数据和气路组件模型进行燃料室试验环境虚拟试验，获得整个试验气路的流动情况。

根据本发明实施例的方法，通过对燃料室各个部件建立模型，获得不同条件下整个系统的气动模型，从而减少燃烧室实物试验的次数、由虚拟试验代替部分代替实物试验，缩短产品试验周期，同时，降低试验风险和实际费用。

本发明的一个实施例中，所述步骤S1具体包括：S11：导入燃料室气动性能虚拟试验子系统所获取的燃料室几何模型和流体力学模型并将其进行组装生成折流式的燃烧室一维气动模型；以及S12：根据所述流式的燃烧室一维气动模型通过流阻法和一元流法迭代计算出火焰筒的沿程气动热力参数，获得燃烧室的气动特性。

本发明的一个实施例中，所述S2具体包括：S21：根据所述燃料室部件的气动性能数据和气路组件模型进行燃料室试验环境虚拟试验建立整个燃料室的虚拟试验系统；以及S22：根据整个燃料室的虚拟试验系统计算不同试验条件下整个气路系统的流动情况。

本发明的一个实施例中，所述步骤S21具体包括：S211：将所述仿真模型与所述虚拟试验环境平台之间建立数据通讯；S212：根据各个气动模型从整个模型中剥离出来与所述气动数据建立仿真模型；以及S213：在不同试验条件下对所述各个启动仿真模型进行优化。

本发明的一个实施例中，所述步骤S212包括：根据各个气动模型与仿真模型建立数据通讯；控制仿真计算过程涉及的各个程序；建立气路系统各个气路模型的数值模型；以及为所述模型提供流体介质、管壁材料的物性参数和外界环境参数。

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为根据本发明一个实施例的燃料室虚拟试验系统的框架图；

图2为根据本发明另一个实施例的折流燃烧室的示意图；

图3为根据本发明一个实施例的折流式燃烧室的一维气动模型的计算结果数据统计图；

图4为根据本发明一个实施例的折流式燃烧室的三维网格模型示意图；

图5为根据本发明另一个实施例的燃烧室三维网格模型部分计算结果图；以及

图6为本发明一个实施例的燃料室虚拟试验方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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。

图1为本发明实施例的燃料室虚拟试验系统的框架图。如图1所示，根据本发明实施例的燃料室虚拟试验系统包括燃料室气动性能虚拟试验子系统100和燃料室虚拟试验环境子系统200。

燃料室气动性能虚拟试验子系统100用于通过燃料室一维和三维的气动性能虚拟试验，获得燃料室部件的气动性能数据和气动模型，其中，气动性能数据包括燃料室进出口的热力参数之间的关系。

在本发明的一个实施例中，燃料室气动性能虚拟试验子系统包括：组件模块110和计算模块120。

组件模块110用于导入燃料室气动性能虚拟试验子系统所获取的燃料室几何模型和流体力学模型并将其进行组装生成折流式的燃烧室一维气动模型。

在本发明的一个实施例中，分别采用一维气动模型或三维CFD模型对燃烧室的一维/三维燃烧流动进行模拟。包括了燃烧室几何模型的导入、流体力学（一维/三维）模型的建模、组装，获得燃烧室气动特性数据。经常采用的发动机燃烧室是离心甩油盘环形折流燃烧室方式（如图2所示），这与传统的直流式环形燃烧室相比，结构上有很大的不同。为此，燃烧室气动性能虚拟子系统专门提供了折流式燃烧室的一维气动模型。

计算模块120用于根据流式的燃烧室一维气动模型通过流阻法和一元流法迭代计算出火焰筒的沿程气动热力参数，获得燃烧室的气动特性。

折流式燃烧室的一维气动模型根据流阻法计算各个气动模型参数如下：

（1）各排进气孔局部流阻φ_Mi按如下公式计算：

其中，μ_i是第i排进气孔的流量系数，A_i是第i排进气孔的总面积，A_fi是第i排进气孔处的火焰筒截面积，A_M是燃烧室最大（参考）截面积。

（2）各排进气孔的总流阻φ_fM按如下公式计算：

其中，φ_Mi是第i排进气孔的局部流阻。

（3）火焰筒各排孔的进气百分比K_i按如下公式计算：

其中，φ_Mi是第i排进气孔的局部流阻，φ_fM是各排进气孔的总流阻。

（4）各截面的余气系数α_i按如下公式计算：

其中，∑K_i是第i截面的叠加流量百分比，m_a是燃烧室进口空气流量，m_f是燃油流量，L₀是航空煤油理论空气量，计算中取=14.7。

（5）火焰筒热阻损失φ_Mh按如下公式计算：

其中，

是燃烧室加热比，A_f5是最后一个头部截面（计算模型中为第5截面）处的火焰筒流通面积。

（6）气流通过扩压器的扩张损失φ_g按如下公式计算： ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Mh}}=0.52(\frac{T_4^{*}}{T_3^{*}}-1){\left(\frac{A_M}{A_{f5}}\right)}^2,$

其中，A₃是燃烧室进口面积，A_g是燃烧室进口扩张面积。

（7）燃烧室总流阻系数φ_M按如下公式计算：φ_M=φ_g+φ_fM+φ_Mh。

（8）燃烧室总压恢复系数σ_c按如下公式计算：

（9）燃烧室容热强度Q_VC按如下公式计算：

其中，Hu是航空煤油热值，计算中取=43000kJ/kg，L_C是燃烧室长度，η_c是燃烧室燃烧效率，

是燃烧室进口总压。

折流式燃烧室的一维气动模型根据一元流计算各个气动模型参数如下：

（1）火焰筒内各截面的总温

的计算

从火焰筒头部第1截面到任意i截面之间，根据能量平衡方程可得到按n_i(H_u-D_h)=α_iL₀(I_i-I₃)+H_i-H₀，

其中，I₃是燃烧室进口总温

下的空气单位热焓，D_h是燃烧室长度，η_c是热离解损失，

I_i计算截面总温

下的空气单位热焓，η_i是计算截面的燃烧效率，计算中采用如下经验放热规律 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_i<1.1,{\mathrm{\&eta;}}_i=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_i}{1.1}{\mathrm{\&eta;}}_c\\ {\mathrm{\&alpha;}}_i\&GreaterEqual;1.1,{\mathrm{\&eta;}}_i={\mathrm{\&eta;}}_c\end{array}\right.,$ H₀是基准温度（15℃）下的等温燃烧焓差，H_i是计算截面总温

下的等温燃烧焓差。

在已知的温度条件下，I_i、H_i都是

的函数，因此需要采用迭代法求解

总温的计算是在子程序SUBTFT内完成的，即首先任意给定一个总温初值，然后通过改进的牛顿迭代法求解出实际的总温

（2）火焰筒内各截面其他流程参数的计算

火焰筒内i截面壁面孔的流量：

其中，ρ_M是燃烧室参考截面气流密度，P_f(i-1)是火焰筒内(i-1)截面的静压

由火焰筒内两截面（i-1，i）之间的动量方程、连续方程及状态方程，即 $\begin{array}{c}{P}_{f(i-1)}{A}_{f(i-1)}+m_a\mathrm{\&Sigma;}{K}_{i-1}{V}_{f(i-1)}+0.5(P_{f(i-1)}+P_{\mathrm{fi}})(A_{\mathrm{fi}}-A_{f(i-1)})\\ +K_i{m}_a{V}_{\mathrm{Ji}}\cos \mathrm{\&beta;}=P_{\mathrm{fi}}{A}_{\mathrm{fi}}+m_a\mathrm{\&Sigma;}{K}_i{V}_{\mathrm{fi}}\end{array},$ 其中，V_fi是火焰筒内第i截面的气流速度，V_Ji是火焰筒内第i截面壁面孔的射流速度，β是射流进气角。

ρ_f(i-1)V_f(i-1)A_f(i-1)+m_aK_i=ρ_fiV_fiA_fi，其中，ρ_fi是火焰筒内第i截面的气流密度。

其中，T_fi是火焰筒内第i截面的静温。

三方程联解可求出ρ_f

_i、V_fi和P_fi。

火焰筒内各截面的速度系数λ_fi可由下式计算：

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{fi}}=\frac{V_{\mathrm{fi}}}{\sqrt{\frac{2k}{k+1}{\mathrm{RT}}_i^{*}}}$

火焰筒内各截面的静温T_fi和总压

可分别由下式计算： $T_{\mathrm{fi}}=T_{\mathrm{fi}}^{*}[1-\frac{k-1}{k+1}{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{fi}}^2],$ $P_{\mathrm{fi}}^{*}=P_{\mathrm{fi}}{[1-\frac{k-1}{k+1}{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{fi}}^2]}^{\frac{k}{1-k}}.$

燃烧室总压恢复系数σ_c可由下式计算：

其中，

是火焰筒第12截面（出口截面）的总压。

火焰筒各截面壁面孔的射流速度V_Ji可由下式计算：

根据折流式燃烧室的一维气动模型的计算结果数据统计结果如图3所示。

在本发明的一个实施例中，燃烧室的三维模型由集成到系统上的商用流体力学分析软件系统CFX或FLUENT提供建模工具和计算求解器。图4为折流式燃烧室的三维网格模型，图5为部分计算结果，其中，图(a)是燃烧室中间截面速度矢量图，图(b)是燃烧室中间截面温度分布，图(c)是周期面温度分布。

燃料室虚拟试验环境子系统200用于根据燃料室部件的气动性能数据和气路组件模型进行燃料室试验环境虚拟试验，获得整个试验气路的流动情况。

在本发明的一个实施例中，燃料室虚拟试验环境子系统包括气路仿真模块210和虚拟试验环境平台模块220。

气路仿真模块210用于根据燃料室部件的气动性能数据和气路组件模型进行燃料室试验环境虚拟试验建立整个燃料室的虚拟试验系统。

在本发明的一个实施例中，气路仿真模块包括接口规范子模块211、仿真计算子模块212和优化子模块213。

接口规范子模块211用于将路仿真模块与虚拟试验环境平台模块之间建立数据通讯。

在本发明的依个实施例中，接口规范子模块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，包括辅助函数库、仿真数据处理类和仿真计算控制类。辅助函数库模块作用是对基于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，包括数据接收发送子模块和数据包处理子模块，其中，数据接收发送子模块中对Socket接口函数进行了封装，借助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，进而实现它们之间的通讯。数据包处理子模块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。仿真数据处理类和仿真计算控制类的作用是进一步细化计算后台的监控，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进行发送。仿真数据处理类包括输出参数信息类和仿真模块信息类。

仿真计算子模块212用于根据各个气动模型从整个模型中剥离出来与气动数据建立仿真模型。

在本发明的一个实施例中，仿真计算子模块包括输入输出单元、控制单元、组件单元和物理性质单元。

输入输出单元用于与接口规范子模块建立数据通讯使接口规范子模块与仿真计算子模块进行数据交互。

输入输出单元是仿真程序与燃烧室试验环境虚拟试验子系统界面的通信接口，根据接口规范子模块的设计实现，使仿真计算子模块通过这种通信机制获得驱动仿真运行的数据并输出计算过程中的相关数据。具体地，用户在平台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。设置完毕平台界面会自动生成仿真计算子模块可以“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，并借助接口规范子模块接收处理计算过程中发送出来的相关数据。

控制单元用于控制仿真计算过程涉及的各个程序。

在本发明的一个实施例中，控制单元通过变量抽象命名机制把仿真对象的具体结构从建模仿真过程中剥离出来，从而使建模仿真过程与具体仿真对象系统的结构无关，其主体功能是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。

组件单元用于建立气路系统各个模块的数值模型。

组件单元包含气路系统各个模块的数值模型。其中，管壁传热模型库包含四种传热模型供各模块选择合适的壁面传热模型。这两个模块库是整个程序的算法核心。

物理性质单元用于为模型提供流体介质、管壁材料的物性参数和外界环境参数。

物理性质单元包括热物理性质库，其功能是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以及外界环境参数，在系统仿真时提供给各模块使用。

优化子模块213用于在不同试验条件下对各个启动仿真模型进行优化。

优化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。当给定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时，由优化子模块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。优化算法采用的是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方法。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。

根据本发明实施例的系统，通过对计算过的仿真结果进行保存，避免了优化计算的重复操作。

虚拟试验环境平台模块220用于根据整个燃料室的虚拟试验系统计算不同试验条件下整个气路系统的流动情况。

根据本发明实施例的系统，通过对燃料室各个部件建立模型，获得不同条件下整个系统的气动模型，从而减少燃烧室实物试验的次数、由虚拟试验代替部分代替实物试验，缩短产品试验周期，同时，降低试验风险和实际费用。

步骤S101，通过燃料室一维和三维的气动性能虚拟试验，获得燃料室部件的气动性能数据和气动模型，其中，气动性能数据包括燃料室进出口的热力参数之间的关系。

导入燃料室气动性能虚拟试验子系统所获取的燃料室几何模型和流体力学模型并将其进行组装生成折流式的燃烧室一维气动模型。

在本发明的一个实施例中，分别采用一维气动模型或三维CFD模型对燃烧室的一维/三维燃烧流动进行模拟。包括了燃烧室几何模型的导入、流体力学（一维/三维）模型的建模、组装，获得燃烧室气动特性数据。经常采用的发动机燃烧室是离心甩油盘环形折流燃烧室方式（如图2所示），这与传统的直流式环形燃烧室相比，结构上有很大的不同。为此，燃烧室气动性能虚拟子系统专门提供了折流式燃烧室的一维气动模型。

根据流式的燃烧室一维气动模型通过流阻法和一元流法迭代计算出火焰筒的沿程气动热力参数，获得燃烧室的气动特性。

折流式燃烧室的一维气动模型根据流阻法计算各个气动模型参数如下：

（1）各排进气孔局部流阻φ_Mi按如下公式计算：

其中，μ_i是第i排进气孔的流量系数，A_i是第i排进气孔的总面积，A_fi是第i排进气孔处的火焰筒截面积，A_M是燃烧室最大（参考）截面积。

（2）各排进气孔的总流阻φ_fM按如下公式计算：

其中，φ_Mi是第i排进气孔的局部流阻。

（3）火焰筒各排孔的进气百分比K_i按如下公式计算：

其中，φ_Mi是第i排进气孔的局部流阻，φ_fM是各排进气孔的总流阻。

（4）各截面的余气系数α_I按如下公式计算：

其中，∑K_i是第i截面的叠加流量百分比，m_a是燃烧室进口空气流量，m_f是燃油流量，L₀是航空煤油理论空气量，计算中取=14.7。

（5）火焰筒热阻损失φ_Mh按如下公式计算：

其中，

是燃烧室加热比，A_f5是最后一个头部截面（计算模型中为第5截面）处的火焰筒流通面积。

（6）气流通过扩压器的扩张损失φ_g按如下公式计算： ${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{Mh}}=0.52(\frac{T_4^{*}}{T_3^{*}}-1){\left(\frac{A_M}{A_{f5}}\right)}^2,$

其中，A₃是燃烧室进口面积，A_g是燃烧室进口扩张面积。

（7）燃烧室总流阻系数φ_M按如下公式计算：φ_M=φ_g+φ_fM+φ_Mh。

（8）燃烧室总压恢复系数_σc按如下公式计算：

（9）燃烧室容热强度Q_VC按如下公式计算：

其中，Hu是航空煤油热值，计算中取=43000kJ/kg，L_C是燃烧室长度，η_c是燃烧室燃烧效率，是燃烧室进口总压。折流式燃烧室的一维气动模型根据一元流计算各个气动模型参数如下：

（1）火焰筒内各截面的总温

的计算

从火焰筒头部第1截面到任意i截面之间，根据能量平衡方程可得到按n_i(H_u-D_h)=α_iL₀(I_i-I₃)+H_i-H₀，

其中，I₃是燃烧室进口总温下的空气单位热焓，D_h是燃烧室长度，η_c是热离解损失，

Ii计算截面总温

下的空气单位热焓，η_i是计算截面的燃烧效率，计算中采用如下经验放热规律

H₀是基准温度（15℃）下的等温燃烧焓差，H_i是计算截面总温

下的等温燃烧焓差。

在已知的温度条件下，I_i、H_i都是

的函数，因此需要采用迭代法求解

总温的计算是在子程序SUBTFT内完成的，即首先任意给定一个总温初值，然后通过改进的牛顿迭代法求解出实际的总温

（2）火焰筒内各截面其他流程参数的计算

火焰筒内i截面壁面孔的流量：其中，ρ_M是燃烧室参考截面气流密度，P_f(i-1)是火焰筒内(i-1)截面的静压

由火焰筒内两截面（i-1，i）之间的动量方程、连续方程及状态方程，即 $\begin{array}{c}{P}_{f(i-1)}{A}_{f(i-1)}+m_a\mathrm{\&Sigma;}{K}_{i-1}{V}_{f(i-1)}+0.5(P_{f(i-1)}+P_{\mathrm{fi}})(A_{\mathrm{fi}}-A_{f(i-1)})\\ +K_i{m}_a{V}_{\mathrm{Ji}}\cos \mathrm{\&beta;}=P_{\mathrm{fi}}{A}_{\mathrm{fi}}+m_a\mathrm{\&Sigma;}{K}_i{V}_{\mathrm{fi}}\end{array},$ 其中，V_fi是火焰筒内第i截面的气流速度，V_Ji是火焰筒内第i截面壁面孔的射流速度，β是射流进气角。

ρ_f(i-1)A_f(i-1)A_f(i-1)+m_aK_i=ρ_fiV_fiA_fi，其中，ρ_fi是火焰筒内第i截面的气流密度。

其中，T_fi是火焰筒内第i截面的静温。

三方程联解可求出ρ_fi、V_fi和P_fi。

火焰筒内各截面的速度系数λ_fi可由下式计算：

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{fi}}=\frac{V_{\mathrm{fi}}}{\sqrt{\frac{2k}{k+1}{\mathrm{RT}}_i^{*}}}$

火焰筒内各截面的静温T_fi和总压

可分别由下式计算： $T_{\mathrm{fi}}=T_{\mathrm{fi}}^{*}[1-\frac{k-1}{k+1}{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{fi}}^2],$ $P_{\mathrm{fi}}^{*}=P_{\mathrm{fi}}{[1-\frac{k-1}{k+1}{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{fi}}^2]}^{\frac{k}{1-k}}.$

燃烧室总压恢复系数σ_c可由下式计算：

其中，

是火焰筒第12截面（出口截面）的总压。

火焰筒各截面壁面孔的射流速度V_Ji可由下式计算：

在本发明的一个实施例中，燃烧室的三维模型由集成到系统上的商用流体力学分析软件系统CFX或FLUENT提供建模工具和计算求解器。图4为折流式燃烧室的三维网格模型，图5为部分计算结果，其中，图(a)是燃烧室中间截面速度矢量图，图(b)是燃烧室中间截面温度分布，图(c)是周期面温度分布。

步骤S102，根据燃料室部件的气动性能数据和气路组件模型进行燃料室试验环境虚拟试验，获得整个试验气路的流动情况。

根据燃料室部件的气动性能数据和气路组件模型进行燃料室试验环境虚拟试验建立整个燃料室的虚拟试验系统。

将仿真模型与虚拟试验环境平台之间建立数据通讯。

在本发明的依个实施例中，接口规范子模块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，包括辅助函数库、仿真数据处理类和仿真计算控制类。辅助函数库模块作用是对基于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，包括数据接收发送子模块和数据包处理子模块，其中，数据接收发送子模块中对Socket接口函数进行了封装，借助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，进而实现它们之间的通讯。数据包处理子模块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。仿真数据处理类和仿真计算控制类的作用是进一步细化计算后台的监控，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进行发送。仿真数据处理类包括输出参数信息类和仿真模块信息类。

根据各个气动模型从整个模型中剥离出来与气动数据建立仿真模型。

首先，根据各个气动模型与仿真模型建立数据通讯，并由仿真计算程序控制仿真计算过程涉及的各个程序。然后，建立气路系统各个气路模型的数值模型。之后，利用流体介质、管壁材料的物性参数和外界环境参数进一步处理。

在不同试验条件下对各个启动仿真模型进行优化。

优化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。当给定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时，由优化子模块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。优化算法采用的是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方法。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。

根据本发明实施例的方法，通过对计算过的仿真结果进行保存，避免了优化计算的重复操作。

根据整个燃料室的虚拟试验系统计算不同试验条件下整个气路系统的流动情况。

根据本发明实施例的方法，通过对燃料室各个部件建立模型，获得不同条件下整个系统的气动模型，从而减少燃烧室实物试验的次数、由虚拟试验代替部分代替实物试验，缩短产品试验周期，同时，降低试验风险和实际费用。

应当理解，本发明的系统实施例中的描述的模块和单元与方法实施例中的具体操作过程相同，此处不再详细描述。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种燃料室虚拟试验系统，其特征在于，包括：

燃料室气动性能虚拟试验子系统，用于通过燃料室一维和三维的气动性能虚拟试验，获得燃料室部件的气动性能数据和气动模型，其中，所述气动性能数据包括燃料室进出口的热力参数之间的关系等；以及

燃料室虚拟试验环境子系统，用于根据所述燃料室部件的气动性能数据和气路组件模型进行燃料室试验环境虚拟试验，获得整个试验气路的流动情况，

其中，热力参数包括各排进气孔局部流阻φ_Mi，各排进气孔的总流阻φ_fM，

火焰筒各排孔的进气百分比K_i，

各截面的余气系数α_i，

火焰筒热阻损失φ_Mh，

气流通过扩压器的扩张损失φ_g，

气流通过扩压器的扩张损失φ_g，

燃烧室总流阻系数φ_M，φ_M=φ_g+φ_fM+φ_Mh。燃烧室总压恢复系数σ_c，

燃烧室容热强度Q_VC，

根据所求取的所述参数进行燃料室虚拟试验获得气路流动情况。

2.如权利要求1所述的燃料室虚拟试验系统，其特征在于，所述燃料室气动性能虚拟试验子系统具体包括：

组件模块，，用于导入燃料室气动性能虚拟试验子系统所获取的燃料室几何模型和流体力学模型并将其进行组装生成折流式的燃烧室一维气动模型；以及

计算模块，用于根据所述流式的燃烧室一维气动模型通过流阻法和一元流法迭代计算出火焰筒的沿程气动热力参数，获得燃烧室的气动特性。

3.如权利要求1所述的燃料室虚拟试验系统，其特征在于，所述步骤燃料室虚拟试验环境子系统具体包括：

气路仿真模块，用于根据所述燃料室部件的气动性能数据和气路组件模型进行燃料室试验环境虚拟试验建立整个燃料室的虚拟试验系统；以及

虚拟试验环境平台模块，用于根据整个燃料室的虚拟试验系统计算不同试验条件下整个气路系统的流动情况。

4.如权利要求3所述的燃料室虚拟试验系统，其特征在于，所述气路仿真模块具体包括：：

接口规范子模块，用于将所述仿真模块与所述虚拟试验环境平台模块之间建立数据通讯；

仿真计算子模块，用于根据各个气动模型从整个模型中剥离出来与所述气动数据建立仿真模型；以及

优化子模块，用于在不同试验条件下对所述各个启动仿真模型进行优化。

5.如权利要求4所述的燃料室虚拟试验系统，其特征在于，所述仿真计算子模块具体包括：

输入输出单元，用于与所述接口规范子模块建立数据通讯使所述接口规范子模块与仿真计算子模块进行数据交互；

控制单元，用于控制仿真计算过程涉及的各个程序；

组件单元，用于建立气路系统各个模块的数值模型；以及

物理性质单元，用于为所述模型提供流体介质、管壁材料的物性参数和外界环境参数。

6.一种燃料室虚拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过燃料室一维和三维的气动性能虚拟试验，获得燃料室部件的气动性能数据和气动模型，其中，所述气动性能数据包括燃料室进出口的热力参数之间的关系等；以及

S21：根据所述燃料室部件的气动性能数据和气路组件模型进行燃料室试验环境虚拟试验，获得整个试验气路的流动情况。

7.如权利要求6所述的燃料室虚拟试验方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11：导入燃料室气动性能虚拟试验子系统所获取的燃料室几何模型和流体力学模型并将其进行组装生成折流式的燃烧室一维气动模型；以及

S12：根据所述流式的燃烧室一维气动模型通过流阻法和一元流法迭代计算出火焰筒的沿程气动热力参数，获得燃烧室的气动特性。

8.如权利要求5所述的燃料室虚拟试验方法，其特征在于，所述S2具体包括：

S21：根据所述燃料室部件的气动性能数据和气路组件模型进行燃料室试验环境虚拟试验建立整个燃料室的虚拟试验系统；以及

S22：根据整个燃料室的虚拟试验系统计算不同试验条件下整个气路系统的流动情况。

9.如权利要求8所述的燃料室虚拟试验方法，其特征在于，所述步骤S21具体包括：

S211：将所述仿真模型与所述虚拟试验环境平台之间建立数据通讯；

S212：根据各个气动模型从整个模型中剥离出来与所述气动数据建立仿真模型；以及

S213：在不同试验条件下对所述各个启动仿真模型进行优化。

10.如权利要求9所述的燃料室虚拟试验方法，其特征在于，所述步骤S212包括：

根据各个气动模型与仿真模型建立数据通讯；；

控制仿真计算过程涉及的各个程序；

建立气路系统各个气路模型的数值模型；以及

为所述模型提供流体介质、管壁材料的物性参数和外界环境参数。

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