CN111914365A - 变循环发动机建模方法及变循环发动机部件级模型 - Google Patents

变循环发动机建模方法及变循环发动机部件级模型 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变循环发动机建模方法，其中副外涵道气流计算模型的建立步骤具体如下：计算变循环发动机在不同模式选择活门开度下的流场，并进而获得风扇涵道比、副外涵总压恢复系数与不同模式选择活门开度之间的对应数据；根据所述对应数据，利用二维插值方法将风扇涵道比、副外涵总压恢复系数与模式选择活门开度进行关联；根据风扇涵道比、副外涵总压恢复系数与模式选择活门开度之间的关联关系，建立风扇涵道比及副外涵总压恢复系数与高度、马赫数、模式选择活门开度之间的关系函数，并分别代入核心驱动风扇级流量平衡方程、副外涵出口总压计算公式。本发明还公开了一种变循环发动机部件级模型。相比现有技术，本发明具有更高精度和实时性。

Description

变循环发动机建模方法及变循环发动机部件级模型
技术领域
本发明属于航空宇航推进理论与工程中的系统建模与仿真领域，具体涉及一种变循环发动机建模方法。
背景技术
下一代多用途军用飞机的性能特点，对新一代发动机设计提出了更高要求，不但要求发动机具有更高的推重比，还要求具有涡喷发动机高单位推力的特征，满足超声速巡航、格斗机动飞行和跨声速的要求，同时具有涡扇发动机低油耗率的特征，以满足亚声速巡航、待机和空中巡逻的要求。变循环发动机(VCE)的优点在于能在同一台发动机上实现涡喷和涡扇两种气动热力循环模式，使飞机及发动机在超声速和亚声速飞行时都具有优良特性。关于涡扇及涡喷两种模式的切换是通过模态转换来完成的，模态转换可使得VCE在大涵道比和小涵道比之间进行切换。
目前，国内外关于VCE模式转换进行了大量的研究，分析在不同的模式选择阀门开度下发动机性能。国内周红等人针对双外涵变循环发动机可变几何特性进行研究，分析了变循环发动机在不同工作状态下几何调节变量的控制规律，并给出了能够确保发动发动机平稳工作的调节方案。刘增文等人数值模拟了变循环发动机模态转换过程，设计了变循环发动机模态转换方案，确立了模态转换时的多部件调节规律。王元等人也曾研究过变循环发动机动稳态特性及模态转换过程发动机性能变化情况。然而VCE的模式转换是动态过程，在这一过程中，由于存在着气动参数响应的滞后，内、外涵流量、涵道比及总压恢复系数等气动性能随时间的变化规律是不同的，若仅是从准一维的部件级模型中去研究模态转换过程，会导致模型准确性下降，更会影响对变循环模态转换调节方案的研究。因此，研究变循环发动机模态转换过程中的动态模型具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种变循环发动机建模方法，其具有更高精度和实时性的动态模态转换模型，可分析模态转换过程中发动机性能变化情况，进一步提高部件级模型的置信度。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种变循环发动机建模方法，所述变循环发动机的部件级模型建立过程包括副外涵道气流计算模型的建立步骤；所述副外涵道气流计算模型的建立步骤具体如下：计算所述变循环发动机在不同模式选择活门开度下的流场，并进而获得风扇涵道比、副外涵总压恢复系数与不同模式选择活门开度之间的对应数据；根据所述对应数据，利用二维插值方法将风扇涵道比、副外涵总压恢复系数与模式选择活门开度进行关联；根据风扇涵道比、副外涵总压恢复系数与模式选择活门开度之间的关联关系，建立风扇涵道比及副外涵总压恢复系数与高度、马赫数、模式选择活门开度之间的关系函数f1()、f2()，并将f1()、f2()分别代入核心驱动风扇级流量平衡方程、副外涵出口总压计算公式。
优选地，在进行所述流场计算时，使用SST k-ω湍流模型。
优选地，使用软件Fluent进行所述流场的计算。
优选地，所述流场为定常工况流场。
根据相同的发明构思还可以得到以下技术方案：
一种变循环发动机部件级模型，使用如上任一技术方案所述变循环发动机建模方法建立。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明将CFD二维数值流场计算考虑进部件级模型中，根据模式选择活门角度与风扇涵道比α及副外涵总压恢复系数σ的对应关系对变循环发动机中的α和σ进行修正，重新计算出发动机性能参数；本发明所建立的部件级模型兼顾了原有的实时性并进行了模态转换模块CFD流场分析，提高了模型的精度及准确性，为探究变循环发动机模态转换的几何调节规律提供参考依据。
附图说明
图1为变循环发动机结构图；
图2为变循环发动机重要流路截面编号；
图3为变循环发动机局部结构图；
图4为风扇涵道比随MSV角度变化对比图；
图5为副外涵总压恢复系数随MSV角度变化对比图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是将CFD二维数值流场计算考虑进部件级模型中，根据模式选择活门角度与风扇涵道比α及副外涵总压恢复系数σ的对应关系对变循环发动机中的α和σ进行修正，以提高模型的精度及准确性，为探究变循环发动机模态转换的几何调节规律提供参考依据。
本发明技术方案具体如下：
一种变循环发动机建模方法，所述变循环发动机的部件级模型建立过程包括副外涵道气流计算模型的建立步骤；所述副外涵道气流计算模型的建立步骤具体如下：计算所述变循环发动机在不同模式选择活门开度下的流场，并进而获得风扇涵道比、副外涵总压恢复系数与不同模式选择活门开度之间的对应数据；根据所述对应数据，利用二维插值方法将风扇涵道比、副外涵总压恢复系数与模式选择活门开度进行关联；根据风扇涵道比、副外涵总压恢复系数与模式选择活门开度之间的关联关系，建立风扇涵道比及副外涵总压恢复系数与高度、马赫数、模式选择活门开度之间的关系函数f1()、f2()，并将f1()、f2()分别代入核心驱动风扇级流量平衡方程、副外涵出口总压计算公式。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
本实施例中的发动机对象为双外涵变循环发动机，其建模原理可参考变循环发动机部件级模型[王元.变循环发动机建模及性能寻优控制技术研究[D].南京航空航天大学,2015.]建立。
图1是变循环发动机结构图，其部件包括：进气道、前段风扇、后段风扇(又称为核心驱动风扇级(CDFS)、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、模式选择活门(MSV)、副外涵、CDFS涵道、前混合室、主涵道、前可调面积涵道引射器(FVABI)、后可调面积涵道引射器(RVABI)、混合室、加力燃烧室、尾喷管。重要流路截面的编号如图2所示。具有核心驱动风扇级(CDFS)的双外涵变循环发动机副外涵流量会与CDFS部件出口一部分流量在前混合室掺混，通过后涵道引射器(RVABI)进入混合室，在混合室与核心气流掺混。模式选择活门的开闭，直接决定了发动机的工作模式。图3给出了包含模式选择活门、前混合室及压缩部件的变循环发动机的局部结构。
根据该局部结构在ICEM软件里简化，并将此作为模态转换模块计算模型，其中各截面参数(包括温度，压力及面积)由变循环发动机部件级模型计算得出。本实施例采用软件Fluent进行变循环局部结构的流场计算，湍流模型采用k-ω中的SST模型，在计算过程中，关于模式选择活门的变动采用5°为一个计算点，计算模式选择活门0°到30°的流场变化。计算域进口的边界条件由变循环发动机部件级模型计算给出，给定流量为50kg/s，总温为433.737K，副外涵出口静压及CDFS进口静压分别为321010Pa和330000Pa。计算壁面无滑移且为绝热壁面，对称轴选用旋转对称边界条件，对不同模式选择活门开度下的流场均采用定常计算。
为比较不同模式选择活门开度对内外涵流量、总压等流场参数的影响，本实施例计算了模式选择活门角度分别为0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°位置时的定常工况流场，，从计算结果中可以看出在模式选择活门关闭的过程中，副外涵气流在逐渐被压缩，为进一步分析该模型，表1给出了计算模型各截面流量、总压随模式选择活门角度的变化关系。由表可知副外涵出口流量随着模式选择活门角度的增大而减小，而总压也随之下降。
表1内外涵流量、总压与模式选择活门角度关系
Figure BDA0002616523430000041
根据表1数据，可进一步计算得出风扇涵道比α及副外涵总压恢复系数σ：
Figure BDA0002616523430000042
Figure BDA0002616523430000043
其中Wa13为副外涵出口流量，Wa24为CDFS出口流量，Pt15为副外涵出口总压，Pt13为副外涵进口总压。根据上述计算公式得出风扇涵道比α及副外涵总压恢复系数σ与模式选择活门角度关系，如表2所示。
表2风扇涵道比及副外涵总压恢复系数与模式选择活门角度关系
Figure BDA0002616523430000044
根据表2的关系，利用二维插值将风扇涵道比及副外涵总压恢复系数与模式选择活门角度进行关联。
Figure BDA0002616523430000051
式中θ代表MSV角度，k表示不同MSV角度对应编号，例如当k＝1时表示MSV角度为0°，k＝2时表示MSV角度为5°，以此类推。α[k]、σ[k]表示不同MSV角度的风扇涵道比及副外涵总压恢复系数。
因此风扇涵道比α及副外涵总压恢复系数σ可由式(3)得到，根据上述公式，建立风扇涵道比及副外涵总压恢复系数与高度H、马赫数Ma、MSV角度之间的关系函数，其中f1()，f2()分别为风扇涵道比和副外涵总压恢复系数的插值函数。
α＝f1(H,Ma,θ) (4)
σ＝f2(H,Ma,θ) (5)
在现有部件级模型中，副外涵道气流计算与模式选择活门实际开口面积有关，其公式为：
Wa13＝Wa22t(Amsv/A13) (6)
式中，Wa2为风扇出口流量，Wa22t为风扇叶尖出口流量，A13为副外涵道最大开口面积，Amsv为MSV造成的实际开口面积。
上述公式虽然体现了涵道气流流量与流通面积之间的关系，但这不符合常理，副外涵道气流计算不该只由模式选择活门的开口面积决定，应同时考虑风扇出口气流流场及副外涵进口气流流场，面积计算出的结果会影响变循环发动机模态转换过程中的发动机参数性能的变化情况，降低模型的可信度。图4给出了基于CFD流场计算和基于MSV实际开口面积计算的风扇涵道比随MSV角度变化的对比图。由图可以看出，CFD仿真结果与采用面积计算的结果在MSV角度变化过程中是有差别的，采用面积计算的结果MSV角度和风扇涵道比近乎成线性关系，而CFD计算中，在MSV角度初始变化时，涵道比的下降较为缓慢，随着MSV角度增大，涵道比下降越明显。图5给出了CFD流场计算的副外涵总压恢复系数随MSV角度变化的对比图。
为此将方程(4)代入变循环发动机部件级模型中，部件级模型的CDFS流量平衡方程ε替换为：
ε＝(Wa2-Wa2·α/(1+α))/Wa24-1 (7)
将方程(5)代入变循环发动机部件级模型中，副外涵出口总压Pt13计算公式为：
Pt13＝Pt22t·σ (8)
式中，Pt22t为风扇叶尖出口总压。
根据上述研究重新建立变循环发动机部件级模型，将CFD二维数值流场计算考虑进部件级模型中，根据模式选择活门角度与风扇涵道比α及副外涵总压恢复系数σ的对应关系对变循环发动机中的α和σ进行修正，重新计算出发动机性能参数。该模型兼顾了原有的实时性并进行了模态转换模块CFD流场分析，提高了模型的精度及准确性，为探究变循环发动机模态转换的几何调节规律提供参考依据。

Claims (5)

1.一种变循环发动机建模方法，所述变循环发动机的部件级模型建立过程包括副外涵道气流计算模型的建立步骤；其特征在于，所述副外涵道气流计算模型的建立步骤具体如下：计算所述变循环发动机在不同模式选择活门开度下的流场，并进而获得风扇涵道比、副外涵总压恢复系数与不同模式选择活门开度之间的对应数据；根据所述对应数据，利用二维插值方法将风扇涵道比、副外涵总压恢复系数与模式选择活门开度进行关联；根据风扇涵道比、副外涵总压恢复系数与模式选择活门开度之间的关联关系，建立风扇涵道比及副外涵总压恢复系数与高度、马赫数、模式选择活门开度之间的关系函数f1()、f2()，并将f1()、f2()分别代入核心驱动风扇级流量平衡方程、副外涵出口总压计算公式。
2.如权利要求1所述变循环发动机建模方法，其特征在于，在进行所述流场计算时，使用SST k-ω湍流模型。
3.如权利要求1所述变循环发动机建模方法，其特征在于，使用软件Fluent进行所述流场的计算。
4.如权利要求1所述变循环发动机建模方法，其特征在于，所述流场为定常工况流场。
5.一种变循环发动机部件级模型，其特征在于，使用如权利要求1～4任一项所述变循环发动机建模方法建立。
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