CN111339644A - 一种涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法，属于涡喷发动机建模仿真技术领域。本发明所述方法通过发动机的组成和工作原理进行分析，建立进气道模型、压气机模型、燃烧室模型、涡轮模型、弯曲排气通道模型及尾喷管模型，通过模型之间的联合仿真完成整个吹雪装置的系统模型建模，进而开展发动机稳态工作仿真分析，有效避免实际试车的危险和成本，可作为热吹吹雪装置控制与故障诊断的参考依据。

Description

一种涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法

技术领域

本发明属于涡喷发动机建模仿真技术领域，具体涉及一种采用计算机仿真技术模拟实际涡喷发动机工作状况的方法。

背景技术

目前，快速、及时清除重要、关键路面薄冰的方法是利用涡喷发动机的高速高温尾气吹除路面积雪和薄冰。涡喷发动机置于载重汽车底盘，高速高温的发动机尾气经尾气罩、导管，由喷嘴吹向路面，涡喷发动机产生的高温高速尾气被导气罩引致喷嘴，以高温高速喷射地面冰层，以清除重要和关键场所的路面薄冰层。

将涡喷发动机改型为除冰装置虽然涡喷除冰效率高、除冰彻底，但除冰成本较高。利用计算机仿真技术建立涡喷发动机模型，是有效避免实际试车危险、节省发动机试车时间和成本，为热吹除雪装置控制系统设计开发及优化提供参考依据。

发明内容

本发明提供了一种涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法，利用计算机仿真技术实现涡喷发动机虚拟实现，模拟实际涡喷发动机工作状况，对于热吹除雪装置控制系统设计开发及优化提供理论支撑。

本发明按以下技术方案实现：

一种涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法，模型设计方案如下：

步骤1：建立函数模型；

步骤2：建立接口模型：用于组件间的信息传递，主要包含气动和机械转动；

步骤3：建立各部件模型：根据发动机各部件的气动热力学关系建立各个部件的气动热力学方程；

步骤4：模型标定与修正；由发动机工作遵循的气动热力学方程和转子动力学平衡关系将各个部件串联起来，形成共同方程组；

步骤5：模型仿真：对非线性方程组求解得到发动机所有参数，模拟真实发动机的工作性能。

进一步，步骤1具体为：

A、焓-温度函数：流体中温度与焓的换算关系是空气动力学能量守恒方程的基础；

B、临界总温函数：是指与某状态下气体静温度对应的总温度函数关系；

C、等熵过程求压力函数：在气体等熵过程的起始温度和压力以及终了温度已知的情况下求终了压力；

D、等熵过程求熵函数：计算出熵函数，再结合焓-温度函数的反向调用，联合求解等熵过程中的终了温度。

进一步，步骤3为：根据涡喷发动机的组成和工作原理建立涡喷发动机稳态仿真模型，包括大气条件模型、进气道模型、压气机模型、燃烧室模型、涡轮模型、弯曲排气通道模型及尾喷管模型。

进一步，大气条件模型用于设定模型的工作环境，包括引气的状态模型、涡喷发动机工作环境模型；进气道模型的作用是将外界空气吸入吹雪装置内，只需考虑总压恢复系数；压气机模型：高低压压气机采用相同的计算方法进行气动热力计算；燃烧室模型：燃烧室进出口的气动参数遵循质量守恒、能量守恒方程；涡轮模型：高低压涡轮采用相同的计算方法进行气动热力计算；弯曲排气通道模型：弯曲排气通道部件不单独进行流场歧变计算，最终会以尾喷管速度损失系数的方式计算获得；尾喷管模型：吹雪装置仅采用收缩喷管，收缩喷管的工作状态不仅取决于部件上游参数，也受到部件下游即喷管外环境的影响。

进一步，在进气道模型中：

总压恢复系数的主要来源是进气滤网，因此总压损失遵循多层丝网空气过滤器阻力特性，如下公式：

其中

d是钢丝直径，δ是丝网间距，l是折合网孔尺寸；

在进气滤网参数确定的情况下，进气道总压恢复系数仅是速度V的函数，因此更符合工程实际的算法是通过试验测定总压恢复系数与速度的函数，即

σ_i＝f(V)

这里，进气道气流速度V是一个未知数，不能通过进气道部件内的模型获得，需要与其他部件联合形成共同工作方程后联合求解。

若将σ_i当作已知量，则进气道出口总温总压为：

T₂＝T₀

P₂＝σ_iP₀。

进一步，在压气机模型中：压气机部件本质上进行着不等熵压缩，对于不等熵压缩过程，如果已知入口总温总压和压缩过程的压比、效率，即可计算出出口总温总压，公式如下：

p₂₅＝π_clp₂

其中，气体的焓用定压比热容计算，即h＝Cp*T。hi25是等熵压缩焓，满足如下公式：

其中，k是比热比，对空气k＝1.4。

压气机的压比和效率是决定部件工作状态的主要参数，这两个参数在压气机工作过程中随转子转速和部件流量的变化而变化，即存在如下函数关系：

π_cl＝f₁(n_cl,W_cl)

η_cl＝f₂(n_cl,W_cl)

其中，W_cl是流量，η_cl是效率，n_l是转速。

通过计算获得压气机工作状态之后，通过进出口焓变即可得到压气机功率：

P_cl＝h₂₅-h₂。

进一步，在尾喷管模型中：

收缩喷管采用以下公式：

尾喷管出口总压P₈：

p₈＝σ_np₇

其中，σ_n为尾喷管总压损失系数。

尾喷管出口总温T₈

T₈＝T₇

为判断尾喷管出口压力和速度，需要首先计算尾喷管临界压力

出口静压及气流速度的计算分两种情况：

(1)若p₀≤p_8cr，则

p_8s＝p_8cr

V₈＝C₈

W₈＝ρ₈V₈A₈

(2)若p₀＞p_8cr，则

p_8s＝p₀

W₈＝ρ₈V₈A₈。

进一步，吹雪装置稳态共同工作方程：当发动机稳态工作时，各转动部件功率应平衡，各截面流过的质量流量应满足连续条件，同时，同轴的压气机和涡轮应该达到功率平衡；因此，当前述各部件中存在的未知量在部件联合时形成了问题共同工作方程，包括：

各部件流量守恒：

W₀＝W₂＝W₂₅＝W₃＝W₄＝W₄₅＝W₅＝W₇＝W₈

两套转子系统的功率守恒：

P_cl＝P_tl

P_ch＝P_th。

进一步，对压气机模型做标定：

根据压气机特性，在Matlab中对数据表进行插值拟合处理，得到压气机特性图；将Matlab拟合插值得到的数据矩阵读入SimulationX中，并利用其表格处理工具对这些外部静态数据进行拟合，最终得到涡喷发动机静态特性数据的仿真模型。

本发明有益效果：

本发明通过SimulationX仿真建立高置信度的涡喷发动机数学解析模型，可以反映该发动机循环参数、稳态特性；利用数字仿真，可实现涡喷发动机控制系统中的控制计划与控制参数的设计与优化；依据发动机模型仿真获得的最优待测试点，可有效避免实际实际试车的危险、提高针对性，并且节省发动机试车的时间与成本；在分析测试结果时，高置信度模型输出值可作为试验数据可靠和有效的标准。同时准确的发动机模型是基于模型方法的热吹除雪装置控制与故障诊断的模型参考依据。

附图说明

图1为吹雪装置部件图；

图2为焓-温度函数接口变量表；

图3为临界总温函数变量表；

图4为等熵过程求压力函数变量表；

图5为等熵过程求熵函数变量表；

图6为弯曲排气通道结构示意图；

图7为压气机特性图；

图8为压气机特性静态数据仿真模型；

图9为稳态仿真结果；

图10为大气条件模型接口界面；

图11为进气道模型接口界面；

图12为压气机模型接口界面；

图13为燃烧室模型接口界面；

图14为涡轮模型接口界面；

图15为转轴模型接口界面；

图16为弯管模型接口界面；

图17为尾喷管模型接口界面；

图18为涡喷发动机系统模型接口界面；

图19为涡喷发动机系统模型求解器参数设置。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，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。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本发明提供了一种涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法，利用计算机仿真技术实现涡喷发动机虚拟实现，模拟实际涡喷发动机工作状况，对于热吹除雪装置控制系统设计开发及优化提供理论支撑。

本发明在满足车辆安装需求的基础上，需要对原有涡喷发动机做改型设计。对发动机工作状态有较大影响的两个改型设计为：

a.考虑到除雪车工作的空气环境清洁度远低于一般涡喷发动机工作环境，为发动机进气道前加装了进气滤网，也由此产生了一定的进气压力损失；

b.为满足吹雪车行驶两侧和前方的吹雪需求，需要改变发动机的排气方向。具体实现方法是在低压涡轮部件后加入弯曲的排气通道，将发动机主要气体的流动方向旋转90°，同时引出一小股气体经过车辆驾驶舱下部向前喷出。

涡喷发动机的建模通常采用部件法，其主要建模思路是根据发动机各部件的气动热力学关系逐步建立各个部件的气动热力学方程，用相应的气动热力学方程代替涡喷发动机的真实工作部件，再由发动机工作必须遵守的气动热力学和转子动力学平衡关系将各个部件串联起来，形成共同工作方程组，对这些非线性方程组求解即可得到发动机所有参数，从而可以模拟真实发动机的工作性能。本发明考虑到吹雪装置的工作状态变化较航空发动机缓慢得多，且仅关注稳定工作状态下的尾喷管出口参数与控制参数(燃油质量、尾喷管面积)，因此本发明仅对发动机稳态工作进行建模。改装后的吹雪装置部件图如图1所示。

在建立涡喷发动机模型时做如下假设：

a.不考虑发动机高温燃气与机匣壁面及部件之间的热交换；

b.不考虑发动机过渡状态部件的容积效应；

c.不考虑气体雷诺数变化对发动机主要旋转部件特性的影响；

d.忽略热胀冷缩引起的发动机热端部件间隙变化。

本发明所提出的模型设计方案如下：

步骤1：建立函数模型。

a.焓-温度函数：流体中温度与焓的换算关系是空气动力学能量守恒方程的基础。为了便于运算，将燃气热力性质表中的温度和焓的关系用最小二乘法拟合成多项式的形式：

hA:＝(((((((1.2644425E-26*TEX-2.0752522E-22)*TEX+1.2702630E-18)*TEX-3.0256518E-15)*TEX-1.6794594E-12)*TEX+2.1839826E-08)*TEX-2.5768440E-05)*TEX+2.5020051E-01)*TEX-1.7558886E+00；

上式中hA代表比焓值，单位是J/kg，TEX代表温度，单位是K(开氏温度)。

除焓与温度的关系外，在代码实现时，气体常数Rg，定压比热容Cp,熵函数phi的计算均包含在此函数内。函数接口变量及注释如图2所示，右箭头代表输入函数，左箭头代表输出函数。

b.临界总温函数

临界总温函数是指与某状态下气体静温度对应的总温度函数关系。总温与静温的关系由下式给出:

上式中Ttotal代表总温，单位为K，Ts代表静温，单位为K，Ma代表马赫数，无量纲，γ代表比热比，无量纲。函数接口变量及注释如图3所示。

c.等熵过程求压力函数

等熵求压力过程，即是在气体等熵过程的起始温度和压力以及终了温度已知的情况下求终了压力。函数接口变量及注释如图4所示。

d.等熵过程求熵函数

为避免求温度函数中加入迭代算法，本函数只计算出熵函数，再结合焓-温度函数的反向调用，联合求解等熵过程中的终了温度。函数接口变量及注释如图5所示。

步骤2：建立接口模型。

接口模型主要用于组件间的信息传递，本模型中的接口主要包含气动和机械转动。各类型接口Modelica模型见表1所示。

表1模型库中各类型物理接口描述

步骤3：建立各部件模型。根据涡喷发动机的组成和工作原理建立涡喷发动机稳态仿真模型，包括大气条件模型、进气道模型、压气机模型、燃烧室模型、涡轮模型、弯曲排气通道模型及尾喷管模型。

各部件之间的截面气动参数是部件参数传递的媒介，因此有必要为部件截面参数进行编号，编号如表2所示。

表2部件截面编号定义

截面编号	截面名称
		0	进气道进口远场
2	进气道出口/低压压气机进口
		25	低压压气机出口/高压压气机进口
3	高压压气机出口/燃烧室进口
		4	燃烧室出口/高压涡轮进口
45	高压涡轮出口/低压涡轮进口
		5	低压涡轮出口/弯曲排气通道进口
7	弯曲排气通道出口/尾喷管进口
		8	尾喷管出口

a.大气条件模型：主要用于设定模型的工作环境，包括引气的状态模型、涡喷发动机工作环境模型。引气的状态模型用于设定引气的工质状态，涡喷发动机工作环境模型用于计算空气的状态及流量。本发明采用的大气环境数据来源于国家标准GB1920-80。

b.进气道模型：吹雪装置进气道的主要作用是将外界空气吸入吹雪装置内，不同于航空发动机，吹雪装置的运动速度可以忽略，因此不需要考虑进气流场歧变，只需考虑总压恢复系数。总压恢复系数的主要来源是进气滤网，因此总压损失遵循多层丝网空气过滤器阻力特性，如下公式：

其中

d是钢丝直径，δ是丝网间距，l是折合网孔尺寸。

在进气滤网参数确定的情况下，进气道总压恢复系数仅是速度V的函数，因此更符合工程实际的算法是通过试验测定总压恢复系数与速度的函数，即

σ_i＝f(V)

这里，进气道气流速度V是一个未知数，不能通过进气道部件内的模型获得，需要与其他部件联合形成共同工作方程后联合求解。

若将σ_i当作已知量，则进气道出口总温总压为：

T₂＝T₀

P₂＝σ_iP₀

c.压气机模型：高低压压气机采用相同的计算方法进行气动热力计算，本发明以低压压气机为例，介绍低压压气机的物理模型。压气机部件本质上进行着不等熵压缩，对于不等熵压缩过程，如果已知入口总温总压和压缩过程的压比、效率，即可计算出出口总温总压，公式如下：

p₂₅＝π_clp₂

其中，气体的焓用定压比热容计算，即h＝Cp*T。hi25是等熵压缩焓，满足如下公式：

其中，k是比热比，对空气k＝1.4。

压气机的压比和效率是决定部件工作状态的主要参数，这两个参数在压气机工作过程中随转子转速和部件流量的变化而变化，即存在如下函数关系：

π_cl＝f₁(n_cl，W_cl)

η_cl＝f₂(n_cl，W_cl)

其中，W_cl是流量，η_cl是效率，n_l是转速。

通过计算获得压气机工作状态之后，通过进出口焓变即可得到压气机功率：

P_cl＝h₂₅-h₂。

d.燃烧室模型：燃烧室进出口的气动参数遵循质量守恒、能量守恒方程，根据质量守恒，燃烧室流量满足下式：

W₄＝W₃₊W_f

其中，W_f是燃油质量流量。

根据能量守恒有，

W₃h₃+W_fH_uη_b＝W₄h₄

燃烧室内气体涡流和热阻效应引起的总压损失如下式：

σ_b＝1-0.075(Ma-1)^1.35

燃烧室出口压力：

p₄＝σ_bp₃。

e.涡轮模型：高低压涡轮采用相同的计算方法进行气动热力计算，本发明以低压涡轮为例，介绍涡轮计算的物理模型。被压缩了的气体在燃烧室中吸收热能，在涡轮中膨胀产生机械能。涡轮是整台发动机的动力元件，高压涡轮带动压气机。其不等熵膨胀过程的物理模型如下式：

p₇＝π_tlp₅

h₇＝h₅-(h_i7-h₅)η_tl

与压气机部件类似，涡轮的压比和效率是决定部件工作状态的主要参数，这两个参数在涡轮工作过程中随转子转速和部件流量的变化而变化，即存在如下函数关系：

π_tl＝f₁(n_tl，W_tl)

η_tl＝f₂(n_tl，W_tl)

其中，W_t1是流量，η_t1是效率，n_l是转速。

通过进出口焓变即可得到涡轮功率：

P_tl＝h₅-h₇

f.弯曲排气通道模型：为了满足吹雪装置排气方向的要求，需要在低压涡轮和尾喷管之间加入弯曲排气通道模型。弯曲排气通道结构如图6所示。

由于该通道在非常短的距离内将高速气体排气方向折转了90°，其对流场的均匀性歧变和总压损失影响不可以忽略。

弯曲流道总压损失的确定可根据经验公式法，即依据如下公式，合理选取经验参数C_m，得到总压损失。

流场歧变造成的影响最终会体现为尾喷管速度的不均匀性，因此，弯曲排气通道部件不单独进行流场歧变计算，最终会以尾喷管速度损失系数的方式计算获得。

g.尾喷管模型：吹雪装置仅采用收缩喷管，收缩喷管的工作状态不仅取决于部件上游参数，也受到部件下游即喷管外环境的影响。本发明的收缩喷管采用以下公式：

尾喷管出口总压P₈：

p₈＝σ_np₇

其中，σ_n为尾喷管总压损失系数。

尾喷管出口总温T₈

T₈＝T₇

为判断尾喷管出口压力和速度，需要首先计算尾喷管临界压力

出口静压及气流速度的计算分两种情况：

(1)若p₀≤p_8cr，则

p_8s＝p_8cr

V₈＝C₈

W₈＝ρ₈V₈A₈

(2)若p₀＞p_8cr，则

p_8s＝p₀

W₈＝ρ₈V₈A₈

h.吹雪装置稳态共同工作方程：当发动机稳态工作时，各转动部件功率应平衡，各截面流过的质量流量应满足连续条件，同时，同轴的压气机和涡轮应该达到功率平衡。因此，当前述各部件中存在的未知量在部件联合时形成了问题共同工作方程，包括：

各部件流量守恒：

W₀＝W₂＝W₂₅＝W₃＝W₄＝W₄₅＝W₅＝W₇＝W₈

两套转子系统的功率守恒：

P_cl＝P_tl

P_ch＝P_th

这样，各部件的气动热力计算数学模型联合求解就可以获得吹雪装置的出口流量、速度以及整个装置的输出功率。

步骤4：模型标定与修正：在以上仿真模型中，压气机和燃烧室作为发动机核心部件，其部件特性和共同工作点决定了发动机的整体工作性能。下面对压气机模型做标定。

根据压气机特性，在Matlab中对数据表进行插值拟合处理，得到压气机特性图7(a)(b)。将Matlab拟合插值得到的数据矩阵读入SimulationX中，并利用其表格处理工具对这些外部静态数据进行拟合，最终得到涡喷发动机静态特性数据的仿真模型，如图8所示。

步骤5：模型仿真：涡喷仿真模型各部件输入参数的典型值如表4所示，输入此参数，即可获得稳态仿真结果图9。

表3涡喷仿真模型输入参数

本发明建立的发动机部件级模型以环境温度、环境压力、主燃油量为模型输入参数，其输出包含高、低压转子转速、各部件进出口气动参数及整机性能参数。发动机部件级模型建模方法中，需建立流道各部件的气动热力学模型，模型计算则按以下流程进行：依据初猜值沿航空发动机流路计算各部件输入、输出气动热力学参数；采用Newton-Raphson法，求解建立的航空发动机动稳态共同工作关系控制方程。

需要说明的是，涡喷发动机改型热吹雪装置模型库为涡喷发动机改型的吹雪装置工作性能仿真提供了一套解决方案。该模型库基于Modelica语言建立，能够在多种系统仿真平台(如SimulationX，Dymola，MWorks，AMESim等)上进行仿真。利用该模型库，可以在仿真平台上定制化地建立涡喷发动机或者由涡喷发动机改型的热吹雪装置仿真模型。该仿真模型能够模拟发动机/吹雪装置的部件参数、环境条件、工作状态和排气参数的相互影响。

本发明的模型库为架构共分三层，分别是通用层、部件模型层和应用仿真层，每一个下层模型能够被任意上层模型调用，在上层模型中实现特定功能，实现代码复用并提高程序可维护性。

1.通用层包括连接器和通用函数。本模型中的连接器共两种，分别是空气动力学接口连接器和转动能量学接口连接器。通用函数包括气体焓温关系函数、温度密度函数、等熵过程函数、临界参数函数等，根据开发过程的深入，对这些连接器和函数的具体变量和算法进行设计。

2.部件模型层中的模型一一对应了涡喷发动机和吹雪装置的各个部件：大气条件、进气道、压气机、燃烧室、涡轮、弯管、尾喷管。

a.大气条件模型：大气条件模型的界面如图10所示，右侧蓝色圆点为气体接口(下同)，接口变量遵循表1所述。

本模型参数包括总温(K)、总压(Pa)和油气比，模型变量为流量(kg/s)。

b.进气道模型：进气道模型的界面如图11所示，两侧蓝色圆点为气体接口。

本模型参数Sigmal，模型变量为熵函数。

c.压气机模型：压气机模型的界面如图12所示，模型蓝色圆点为气体接口，绿色圆点为机械接口。

本模型参数为转速修正系数、流量修正系数、效率修正系数和压比修正系数，模型变量为进口焓(J/Kg)、理想出口焓(J/Kg)、出口焓(J/Kg)、理想出口温度(℃)、功率(Kw)、压比、熵函数、效率、换算压比、换算转速、换算流量和换算效率。

d.燃烧室模型:燃烧室模型的界面如图13所示，模型蓝色圆点为气体接口。

本模型参数为燃烧室总压恢复系数、燃烧效率、燃油热值(J/kg)和燃油流量(kg/s),模型变量为进口焓(J/kg)和出口焓(J/kg)。

d.涡轮模型：涡轮模型的界面如图14所示，模型蓝色圆点为气体接口，绿色圆点为机械接口。

本模型参数为效率，模型变量为进口焓(J/Kg)、理想出口焓(J/Kg)、出口焓(J/Kg)、理想出口温度(℃)、功率(Kw)、落压比、进口温度(℃)和进口压力(bar)。

e.转轴模型转轴模型的界面如图15所示，模型绿色圆点为机械接口。

本模型参数为转动惯量(kgm²)和初始转速(rpm),模型变量为角加速度(rad/s²)、转矩(Nm)和转速(rpm)。

f.弯管模型：弯管模型的界面如图16所示，模型蓝色圆点为气体接口。

本模型参数为Sigmal，模型变量为流量(kg/s)。

g.尾喷管模型：尾喷管模型的界面如图17所示，模型蓝色圆点为气体接口。

本模型参数为尾喷管喉道面积(m²),模型变量为环境压力(bar)、速度(m/s)、临界静温(℃)、压力(bar)、静焓(J/kg)、总焓(J/kg)、气体常数、温度(℃)、Ht8的保护变量(℃)、0-亚临界，1-临界和流量(kg/s)。

f.涡喷发动机系统模型：将涡喷发动机各组件模型集成，完成涡喷发动机系统模型建模，模拟整个涡喷发动机的性能相应。涡喷发动机系统模型的界面如图18所示，模型蓝色圆点为气体接口，绿色圆点为机械接口。

涡喷发动机系统模型需设置仿真环境变量及求解器参数，仿真模型及求解器参数设置如图19所示。

3.应用仿真层即是由部件模型连接形成的涡喷发动机/吹雪装置仿真模型，在部件模型层开发完成后，应用仿真层的各种仿真模型可以由用户通过对部件模型的简单拖拽、连接和参数设置，生成不同的发动机/吹雪装置仿真模型。

综上，本发明通过SimulationX仿真建立高置信度的涡喷发动机数学解析模型，可以反映该发动机循环参数、稳态特性；利用数字仿真，可实现涡喷发动机控制系统中的控制计划与控制参数的设计与优化；依据发动机模型仿真获得的最优待测试点，可有效避免实际实际试车的危险、提高针对性，并且节省发动机试车的时间与成本；在分析测试结果时，高置信度模型输出值可作为试验数据可靠和有效的标准。同时准确的发动机模型是基于模型方法的热吹除雪装置控制与故障诊断的模型参考依据。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法，其特征在于，模型设计方案如下：

步骤1、建立函数模型；

步骤2、建立接口模型：用于组件间的信息传递，主要包含气动和机械转动；

步骤3、建立各部件模型：根据发动机各部件的气动热力学关系建立各个部件的气动热力学方程；

步骤4、模型标定与修正：由发动机工作遵循的气动热力学方程和转子动力学平衡关系将各个部件串联起来，形成共同方程组；

步骤5、模型仿真：对非线性方程组求解得到发动机所有参数，模拟真实发动机的工作性能。

2.根据权利要求1所述的涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法，其特征在于，步骤1具体为：

A、焓-温度函数：流体中温度与焓的换算关系是空气动力学能量守恒方程的基础；

B、临界总温函数：是指与某状态下气体静温度对应的总温度函数关系；

C、等熵过程求压力函数：在气体等熵过程的起始温度和压力以及终了温度已知的情况下求终了压力；

D、等熵过程求熵函数：计算出熵函数，再结合焓-温度函数的反向调用，联合求解等熵过程中的终了温度。

3.根据权利要求1所述的涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法，其特征在于，步骤3为：

根据涡喷发动机的组成和工作原理建立涡喷发动机稳态仿真模型，包括大气条件模型、进气道模型、压气机模型、燃烧室模型、涡轮模型、弯曲排气通道模型及尾喷管模型。

4.根据权利要求3述的涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法，其特征在于：

大气条件模型用于设定模型的工作环境，包括引气的状态模型、涡喷发动机工作环境模型；

进气道模型的作用是将外界空气吸入吹雪装置内，只需考虑总压恢复系数；

压气机模型：高低压压气机采用相同的计算方法进行气动热力计算；

燃烧室模型：燃烧室进出口的气动参数遵循质量守恒、能量守恒方程；

涡轮模型：高低压涡轮采用相同的计算方法进行气动热力计算；

弯曲排气通道模型：弯曲排气通道部件不单独进行流场歧变计算，最终会以尾喷管速度损失系数的方式计算获得；

尾喷管模型：吹雪装置仅采用收缩喷管，收缩喷管的工作状态不仅取决于部件上游参数，也受到部件下游即喷管外环境的影响。

5.根据权利要求4述的涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法，其特征在于，在进气道模型中：

总压恢复系数的主要来源是进气滤网，因此总压损失遵循多层丝网空气过滤器阻力特性，如下公式：

其中

d是钢丝直径，δ是丝网间距，l是折合网孔尺寸；

在进气滤网参数确定的情况下，进气道总压恢复系数仅是速度V的函数，因此更符合工程实际的算法是通过试验测定总压恢复系数与速度的函数，即

σ_i＝f(V)

这里，进气道气流速度V是一个未知数，不能通过进气道部件内的模型获得，需要与其他部件联合形成共同工作方程后联合求解。

若将σ_i当作已知量，则进气道出口总温总压为：

T₂＝T₀

P₂＝σ_iP₀。

6.根据权利要求4述的涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法，其特征在于，在压气机模型中：

压气机部件本质上进行着不等熵压缩，对于不等熵压缩过程，如果已知入口总温总压和压缩过程的压比、效率，即可计算出出口总温总压，公式如下：

p₂₅＝π_clp₂

其中，气体的焓用定压比热容计算，即h＝Cp*T。hi25是等熵压缩焓，满足如下公式：

其中，k是比热比，对空气k＝1.4；

压气机的压比和效率是决定部件工作状态的主要参数，这两个参数在压气机工作过程中随转子转速和部件流量的变化而变化，即存在如下函数关系：

π_cl＝f₁(n_cl,W_cl)

η_cl＝f₂(n_cl,W_cl)

其中，W_cl是流量，η_cl是效率，n_l是转速。

通过计算获得压气机工作状态之后，通过进出口焓变即可得到压气机功率：

P_cl＝h₂₅-h₂。

7.根据权利要求4述的涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法，其特征在于：在尾喷管模型中：

收缩喷管采用以下公式：

尾喷管出口总压P₈：

p₈＝σ_np₇

其中，σ_n为尾喷管总压损失系数。

尾喷管出口总温T₈

T₈＝T₇

为判断尾喷管出口压力和速度，需要首先计算尾喷管临界压力

出口静压及气流速度的计算分两种情况：

(1)若p₀≤p_8cr，则

p_8s＝p_8cr

V₈＝C₈

W₈＝ρ₈V₈A₈

(2)若p₀＞p_8cr，则

p_8s＝p₀

W₈＝ρ₈V₈A₈。

8.根据权利要求1述的涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法，其特征在于，吹雪装置稳态共同工作方程：

当发动机稳态工作时，各转动部件功率应平衡，各截面流过的质量流量应满足连续条件，同时，同轴的压气机和涡轮应该达到功率平衡；因此，当前述各部件中存在的未知量在部件联合时形成了问题共同工作方程，包括：

各部件流量守恒：

W₀＝W₂＝W₂₅＝W₃＝W₄＝W₄₅＝W₅＝W₇＝W₈

两套转子系统的功率守恒：

P_cl＝P_tl

P_ch＝P_th。

9.根据权利要求1述的涡喷发动机改型热吹雪装置设备的建模仿真方法，其特征在于，对压气机模型做标定：

根据压气机特性，在Matlab中对数据表进行插值拟合处理，得到压气机特性图；将Matlab拟合插值得到的数据矩阵读入SimulationX中，并利用其表格处理工具对这些外部静态数据进行拟合，最终得到涡喷发动机静态特性数据的仿真模型。

Images