CN112380795A - 一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，属于数值仿真领域。本发明包括前置处理模块、试车台典型几何模型库、自定义网格、CFD仿真模块、后处理报告定制中心、数据库管理系统。通过基于预置模型库快速建立试车台几何模型，通过自定义网格实现试车台几何模型仿真网格的生成以及边界条件的设置，对已生成网格并完成边界条件设置的试车台几何模型，采用CFD仿真模块进行数值仿真，从仿真结果中提取关注截面数据及试车台流场特征参数，生成分析报告。本发明能够实现试车台复杂流场的快速建模，简化数值仿真流程，提高仿真效率，通过处理报告定制中心，降低后期处理难度。本发明能够广泛应用于室内试车台的航空发动机的仿真领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，属于数值仿真领域。
背景技术
试车台是获取航空发动机性能参数的主要试验平台，而推力是航空发动机的核心技术指标。推力的准确测量对发动机的研制及改型试验具有重要意义。为准确获得试车台航空发动机的推力值，需要对台架测得的推力进行校准，为了解决这一问题，通常的做法有两种，一种是进行台架间的交叉比对，另一种是进行发动机推力气动附加阻力的修正。台架间的交叉比对缺乏绝对参考点，一般作为定性判断，而进行气动附加阻力的修正就需要准确测得试车台内所关注截面的流场参数，这就需要在试验前进行理论研究结合数值模拟来确定试车台内的测量截面以及测点布置的位置，甚至需要在试验后用数值模拟来验证试验结果、并且补充试验中测不到的点的数据，这就给数值模拟工作带来了挑战。
数值模拟技术是获取流体流动特点的一种有效途径，之前我们对于发动机试车台进气流场的数值模拟开展了初步研究，包括试车台模型的建立、边界条件的设置、网格划分、数值仿真等，得到试车台内流场中包括速度分布和压力分布的重要流场信息，并与实验结果进行对比验证。以往数值模拟工作能够对单一试车台、特定发动机型号进行数值模拟仿真，数值仿真结果与试验吻合得较好；但对仿真者专业性要求高、周期长、效率低、结果提取随意、仿真结果后处理不规范，导致指导意义不大，往往在试验结束时才能得到仿真结果，无法达到指导试车台布局方案及测试方案的目的。
发明内容
本发明公开的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，具有参数化及模块化程度高、集成性高、仿真快捷、适用范围广的优点，解决试车台复杂流场的快速建模仿真问题。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，包括前置处理模块、试车台典型几何模型库、自定义网格、CFD仿真模块、后处理报告定制中心、数据库管理系统。
前置处理模块用于实现试车台虚拟仿真方法的组织及管理，提供功能菜单、交互式操作界面以及各功能模块的功能衔接。
试车台典型几何模型库用于试车台空间结构的布局及可视化的快速几何建模功能。
自定义网格用于将试车台的几何模型进行大小定义及网格的离散，为后续的CFD仿真模块提供网格及边界条件属性定义。
CFD仿真模块用于试车台流场及温度场的三维仿真。
后处理报告定制中心用于处理CFD仿真结构，并按照预置模板要求创建分析报告。
数据库管理系统用于管理发动机试车台的预置模型库及历史数据。
本发明公开的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，工作方法包括以下步骤：
步骤1、快速建立试车台几何模型，依据对象的结构形式，从试车台典型几何模型库中选取相应的图形，并建立试车台几何模型；
步骤2、生成仿真网格，依据网格大小约束条件，应用自定义网格，对步骤1所建立的试车台几何模型生成仿真网格；
步骤3、设置边界条件，根据仿真的边界条件，应用自定义网格，对步骤2已生成仿真网格的试车台几何模型设置边界条件；
步骤4、数值仿真，将步骤3已完成边界条件设置的带网格化分的试车台几何模型，导入CFD仿真模块，进行数值仿真；
步骤5、仿真结果后处理，从步骤4的仿真结果中提取关注截面数据及试车台流场特征参数，将所述数据与实际测量截面数据进行比对，生成分析报告。所述试车台流场特征参数包括：试车台内平均速度、试车台进气压损、试车台压降、旁通比、进气速度畸变系数、总压畸变系数以及排气管内温度不均匀性。
进一步的，分析报告格式及内容根据实际需要通过预制模板定义。
对上述的分析流程采用仿真机软件开发技术进行封装及定制。作为优选，前置处理工具以及后处理报告定制中心采用Java语言开发定制，几何模型采用UG软件定制开发处理，自定义网格采用Fluent Mesh生成，CFD仿真模块采用Fluent软件仿真，数据库管理系统采用SQL语言开发。
有益效果：
1、本发明的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，采用预置模型库的仿真方法，针对典型航空发动机试车台的几何结构特点，采用参数化、模块化建模方案，预先合理巧妙地定制一系列基础模型数据，能够解决试车台复杂流场的快速建模问题。
2、本发明的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，采用基于预置模型库的试车台流场数值模拟方法，用于快速得到试车台流场的仿真结果，加快几何建模速度、简化数值仿真流程，提高仿真效率。
3、本发明的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，通过建立后处理报告定制中心，规范化的对仿真结果进行后处理，将专业性很强的工作降低门槛和难度。
4、本发明的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，应用范围同时涵盖高空台和露天台，适用范围广，实用性强。
附图说明
图1为本发明的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统结构组成图；
图2为本发明的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统工作流程示意图；
图3为本发明的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统试车台模型结构示意图；
图4为本发明的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统试车台模型面网格示意图；
图5为本发明的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统试车台模型多面体网格示意图；
图6为本发明的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统分析报告形式示意图；
图7为本发明的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统测量截面示意图；
图8为本发明的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统中截面速度云图；
图9为本发明的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统B截面仿真速度云图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1
以一种发动机的试车试验为例，对本发明的本发明的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统进行说明。
如图1所示，本实施例公开的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，包括前置处理模块、试车台典型几何模型库、自定义网格、CFD仿真模块、后处理报告定制中心、数据库管理系统。
前置处理模块用于实现试车台虚拟仿真方法的组织及管理，提供功能菜单、交互式操作界面以及各功能模块的功能衔接。
试车台典型几何模型库包含针对航空发动机试车台内典型几何结构，具体为进气塔、主试车台、排气塔、排气管、发动机、流量管、导流板的参数化模型，针对这些典型几何模型创建阵列、对齐、旋转、吊顶、同心、透明、渲染的快捷处理操作及工具，用于试车台空间结构的布局及可视化的快速几何建模功能。
自定义网格采用面网格分割技术和Java FX图形显示技术，实现试车台模型面网格的分割与显示；同时，针对面网格对象，创建面网格隐藏、显示、合并、分离、框选的快捷工具，用于将试车台的几何模型进行大小定义及网格的离散，方便用户根据实际情况自定义网格参数及边界条件参数，为后续的CFD仿真模块提供网格及边界条件属性定义。
CFD仿真模块用于试车台流场及温度场的三维仿真。
后处理报告定制中心用于处理CFD仿真结构，并按照预置模板要求创建分析报告。
数据库管理系统用于管理发动机试车台的预置模型库及历史数据。
如图2所示，本发明公开的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，工作方法包括以下步骤：
步骤1、快速建立试车台几何模型
依据仿真对象的结构形式，从试车台典型几何模型库中选取相应的典型几何模型，并通过快捷处理操作及工具，高质量快速地建立如图3所示的航空发动机试车台模型。
步骤2、生成仿真网格
依据网格大小约束条件，应用自定义网格，对步骤1所建立的试车台几何模型生成仿真网格，如图4所示。
步骤3、边界条件设置
在试车台内航空发动机实际试车过程中，通常已知试车台进口总压、静压、总温，试车台出口静压、静温，发动机进口空气质量流量、总温，发动机出口燃气质量流量、总温。而在试车台数值仿真中，省略实际测试中发动机的工作过程，仅用发动机的进出口截面的边界条件来表征发动机的进气、喷油、燃烧、排放过程。在这种情况下，需要对以上真实试车台的边界条件进行换算，具体方式是将发动机质量流量进口变化成压力出口，发动机内外涵道真实质量流量出口边界条件变化为质量流量进口。其中，发动机真实进口的静压值根据发动机进口空气流量方程、状态方程、气动滞止方程联立得出。
步骤4、数值仿真求解
进行湍流模型设置和仿真工质设置，在试车台进气口和发动机进气口工质为空气，而在发动机出口工质为燃气，并在湍流模型中考虑可压缩性的影响，依据实际情况进行边界条件设置及仿真域设置，初始化后进行数值模拟仿真；数值仿真采用基于压力的耦合方法。数值算法离散格式压力选用标准格式，密度、动量、湍流动能和耗散率在仿真时先采用一阶迎风格式进行迭代，当仿真基本收敛时，转到二阶迎风格式继续迭代，在保证收敛速度的条件下又保证解的精度。所述数值模拟仿真为调用流体仿真软件进行三维数值模拟仿真，实现航空发动机试车台的虚拟数值仿真。
步骤5、仿真结果后处理，从步骤4的仿真结果中提取关注截面数据及试车台流场特征参数，将所述数据与实际测量截面数据进行比对，生成分析报告。分析报告的形式如图6所示，分析报告的内容根据实际需要预先定义。本实施例中预先定义流场平均速度、四个关注截面以及中截面。如图7所示，所述关注截面定义为：发动机进气管唇口位置截面为测量C截面；发动机排气截面为测量D截面；测量A截面取发动机前方水平距C截面24.0m处位置；发动机B截面处位置取发动机前方水平距C截面9.0m处位置。分析报告中包括所关注截面的气动数据和云图，中截面速度云图如图8所示，发动机B截面处仿真速度云图如图9所示。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，其特征在于：包括前置处理模块、试车台典型几何模型库、自定义网格、CFD仿真模块、后处理报告定制中心、数据库管理系统；
所述前置处理模块用于实现试车台虚拟仿真方法的组织及管理，提供功能菜单、交互式操作界面以及各功能模块的功能衔接；
所述试车台典型几何模型库用于试车台空间结构的布局及可视化的快速几何建模功能；
所述自定义网格用于将试车台的几何模型进行大小定义及网格的离散，为后续的CFD仿真模块提供网格及边界条件属性定义；
所述CFD仿真模块用于试车台流场及温度场的三维仿真；
所述后处理报告定制中心用于处理CFD仿真结构，并按照预置模板要求创建分析报告；
所述数据库管理系统用于管理发动机试车台的预置模型库及历史数据。
2.如权利要求1所述的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，其特征在于：工作方法包括以下步骤：
步骤1、快速建立试车台几何模型，依据对象的结构形式，从试车台典型几何模型库中选取相应的图形，并建立试车台几何模型；
步骤2、生成仿真网格，依据网格大小约束条件，应用自定义网格，对步骤1所建立的试车台几何模型生成仿真网格；
步骤3、设置边界条件，根据仿真的边界条件，应用自定义网格，对步骤2已生成仿真网格的试车台几何模型设置边界条件；
步骤4、数值仿真，将步骤3已完成边界条件设置的带网格化分的试车台几何模型，导入CFD仿真模块，进行数值仿真；
步骤5、仿真结果后处理，从步骤4的仿真结果中提取关注截面数据及试车台流场特征参数，将所述数据与实际测量截面数据进行比对，生成分析报告。
3.如权利要求1所述的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，其特征在于：所述试车台典型几何模型库包含进气塔、主试车台、排气塔、排气管、发动机、流量管、导流板的参数化模型，以及针对这些典型几何模型创建阵列、对齐、旋转、吊顶、同心、透明、渲染的快捷处理操作及工具，用于试车台空间结构的布局及可视化的快速几何建模功能。
4.如权利要求1所述的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，其特征在于：所述自定义网格采用面网格分割技术和Java FX图形显示技术，实现试车台模型面网格的分割与显示，以及针对面网格对象，创建面网格隐藏、显示、合并、分离、框选的快捷工具，用于将试车台的几何模型进行大小定义及网格的离散，方便用户根据实际情况自定义网格参数及边界条件参数，为后续的CFD仿真模块提供网格及边界条件属性定义。
5.如权利要求1所述的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，其特征在于：所述边界条件设置采用发动机的进出口截面的边界条件来表征发动机的进气、喷油、燃烧、排放过程，将发动机质量流量进口变化成压力出口，发动机内外涵道真实质量流量出口边界条件变化为质量流量进口。
6.如权利要求1所述的一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统，其特征在于：所述试车台流场特征参数包括：试车台内平均速度、试车台进气压损、试车台压降、旁通比、进气速度畸变系数、总压畸变系数以及排气管内温度不均匀性。
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