CN113515820B - 一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于排气装置的仿真优化技术领域，公开了一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，基于涡轮风扇发动机特性和一维管流理论确定排气装置的进出口边界条件，突破当前热吹除雪排气装置均是基于涡轮喷气发动机改型的现状，实现准确获得内、外涵道混合时排气装置的进口边界条件，以及保证排气装置处于临界或超临界状态，实现发动机性能的充分利用。

Description

一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法
技术领域
本发明属于排气装置的仿真优化技术领域，具体涉及一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法。
背景技术
目前，快速及时地清除重要、关键路面(尤其是机场跑道)积雪的主要方法是利用涡轮喷气发动机排出的高速、高温气体吹除路面的积雪和薄冰。具体实现原理为：将涡轮喷气发动机置于载重汽车底盘上，并将高速、高温气体经自行设计的排气装置进行引流，由射流喷口喷出吹向路面的积雪和薄冰，既可利用高速气体的动量特性将积雪和薄冰吹离地面，也可利用高温气体的温度特性将积雪和薄冰融化，从而实现高质、高效地清除重要和关键场所路面积雪和薄冰的目的。
现有国内重要、关键路面喷气式除雪车均采用涡轮喷气发动机，通过选取工作状态点，对排气装置、控制系统等进行改型设计来实现，其中对于排气装置的设计直接关系到除雪车的除雪效果和除雪效率。
利用现有技术方案改型的喷气式除雪车的缺点为：
1、发动机类型：选用的发动机主要为涡轮喷气发动机(WP5、WP6、WP7、 WP13)，发动机流量较小，一般不超过60kg/s。因此，利用涡轮喷气发动机改型的吹雪和除冰装置在功能上基本可满足中到大雪的除雪要求，但由于涡轮喷气发动机流量较小的原因，对于大到暴雪的情况就会因为排气流量的限制导致除雪效率偏低，无法达到快速除雪的要求；
2、排气装置设计方法：针对排气装置出口的排气速度有效区和排气速度死区的尺寸进行仿真优化模拟，从而对流道截面面积进行设计，将导致设计的排气装置对吹雪的效果较佳，但由于缺乏对排气温度在外部流场中的演化过程和空间分布的考虑，将导致在路面除冰时可能会出现冰层难以有效融化的问题。同时，对于沥青地面，还有可能因为排气温度局部过高，导致路面损毁的问题；
3、排气装置结构特征：对于目前主喷管和开道喷口的出口截面多采用圆形截面喷口设计，其最大的特点是结构制造简单，无需圆形转方形的转接段，但却导致出口的有效排气宽度较小，降低了吹雪效率，造成部分高能气体的浪费，增加了喷气式除雪车的成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，克服了现有技术中存在的问题。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1：确定基于涡轮风扇发动机改型的热吹除雪排气装置的进口边界条件和出口边界条件；
步骤2：设计不同出口截面形状下主喷管的三维实体模型；
步骤3：根据步骤1所述进口边界条件和出口边界条件以及步骤2所述三维实体模型，然后基于内部流场仿真方法确定不同出口截面形状下主喷管的出口气动参数和内部流场情况；
步骤4：根据步骤3所述出口气动参数和内部流场情况，然后基于外部流场仿真方法确定不同出口截面形状下主喷管的外部射流特性；
步骤5：针对主喷管的典型结构特征分析不同优化设计参数，并分析不同优化设计参数对排气装置中主喷管的外部射流特性的影响规律，实现主喷管优化设计；
步骤6：设计不同出口截面形状下开道喷管的三维实体模型；
步骤7：根据步骤1所述进口边界条件和出口边界条件以及步骤6所述三维实体模型，然后基于内部流场仿真方法确定不同出口截面形状下开道喷管的出口气动参数和内部流场情况；
步骤8：根据步骤7所述出口气动参数和内部流场情况，然后基于外部流场仿真方法确定不同出口截面形状下开道喷管的外部射流特性；
步骤9：针对开道喷管的典型结构特征分析不同优化设计参数，并分析不同优化设计参数对排气装置中开道喷管的外部射流特性的影响规律，实现开道喷管优化设计；
步骤10：通过步骤5和步骤9实现涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计。
优选的，所述步骤1具体为：
步骤1-1：根据涡轮风扇发动机性能手册，查取性能参数，其中性能参数包括：不同工作状态下的涵道比、总空气流量、内涵温度、外涵温度、涡轮进口总压、涡轮落压比和外涵压力；
步骤1-2：根据涵道比和总空气流量的关系，确定内涵空气流量和外涵空气流量；根据内涵空气流量、外涵空气流量、内涵温度、外涵温度，以及理想气体能量守恒理论，确定内外涵混合器的出口温度，即排气装置进口总温；根据涡轮进口总压、涡轮落压比、外涵压力，通过查取涡轮风扇发动机内外涵混合器的压力特性图，确定混合器的出口压力，即排气装置进口总压；基于一维管流计算理论，确定排气装置的出口流动状态，从而确定排气装置出口静压。
优选的，所述步骤2具体为：
步骤2-1：根据除雪车的总体尺寸确定排气装置主喷管的尺寸，利用三维建模软件进行排气装置主喷口尺寸设计，其中主喷管进口尺寸为涡轮风扇发动机原排气段进口尺寸，主喷管出口共设计了圆形截面、1：1矩形截面、1.25：1矩形截面、1.5：1矩形截面、1.75：1矩形截面、2：1矩形截面、2.5：1矩形截面7种不同出口形状的喷口，且不同出口形状的几何面积一致；
步骤2-2：为保证不同主喷管出口截面的易换性，单独设计长度一致的转接段，其中转接段进口为面积相等的圆形截面，转接段出口为圆形截面或不同长宽比的矩形截面。
优选的，所述步骤3具体为：
步骤3-1：对不同出口截面形状的排气装置主喷管内部流场进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的主喷管完成网格无关性验证；
步骤3-2：根据步骤1-2中的排气装置进口边界条件，以及排气装置出口静压进行主喷管内部流场模拟；
步骤3-3：根据主喷管内部流场模拟结果，对主喷管的流道形状进行局部优化设计，要求在流道中不出现局部超音区，以保证出口射流的稳定；
步骤3-4：对比不同出口截面形状的排气装置主喷管的平均总压、速度和静温值，以及出口截面速度分布、静温分布和内部流道的流线分布，确定流动状态好的截面形状。
优选的，所述步骤4具体为：
步骤4-1：提取转接段部分，并沿进口向前延伸200mm，作为主喷管射流部分；在X、Y、Z三个方向建立外部流场模型，其形状为50m×50m×25m的方形域；
步骤4-2：对转接段部分和外部流场部分分别进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的主喷管外部流场完成网格无关性验证；
步骤4-3：设置边界条件为：主喷管转接段进口设置总温、总压边界条件，其具体数值由步骤3-2中的内部流场计算所得；地面和喷口壁面采用绝热、无滑移、光滑壁面边界条件；计算域其他五个界面采用压力远场边界；转接段的出口和外部流场的进口设置为内部交界面；
步骤4-4：分析主喷管外部流场的射流速度、射流温度沿纵向和展向的分布；确定不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准下温度有效区和温度死区的长度和宽度，且当单侧射流长度超过30m时，按照30m处的射流宽度进行测算。
优选的，所述步骤5具体为：
步骤5-1：选取主喷管的出口截面距离地面距离、出口倾角、出口形状作为优化设计参数进行仿真计算；
步骤5-2：对比距离地面不同距离时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准下温度有效区和温度死区的长度和宽度，确定最佳距离地面距离；
步骤5-3：基于最佳距离地面距离，对比不同出口倾角下，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准下温度有效区和温度死区的长度和宽度，确定最佳距离出口倾角；
步骤5-4：基于最佳距离地面距离和出口倾角，对比不同主喷管出口形状时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准下温度有效区和温度死区的长度和宽度，确定最佳出口形状。
优选的，所述步骤6具体为：
步骤6-1：根据除雪车总体尺寸确定排气装置开道喷管的尺寸，利用三维建模软件进行排气装置开道喷口尺寸设计，其中主要参数包括：两开道喷管出口直径、横向间距、纵向间距、高低错开间距、出口倾角，开道喷管出口设计了圆形截面、1：1矩形截面、1.25：1矩形截面、1.5：1矩形截面、1.75：1矩形截面、2： 1矩形截面6种不同出口形状的喷口，且不同出口形状的几何面积一致；
步骤6-2：为保证不同开道喷管出口截面的易换性，单独设计长度一致的转接段，其中转接段进口为面积相等的圆形截面，转接段出口为圆形截面或不同长宽比的矩形截面。
优选的，所述步骤7具体为：
步骤7-1：对不同出口截面形状的排气装置开道喷管内部流场进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的开道喷管内部流场完成网格无关性验证；
步骤7-2：根据步骤1中的排气装置进口边界条件，以及排气装置出口静压进行内部流场模拟；
步骤7-3：根据内部流场模拟结果，对开道喷管的流道形状进行局部优化设计，要求在流道中不出现局部超音区，以保证出口射流的稳定；
步骤7-4：对比不同出口截面形状的排气装置开道喷管的的平均总压、速度、静温值，以及出口截面速度分布、静温分布和内部流道的流线分布，确定流动状态好的截面形状。
优选的，所述步骤8具体为：
步骤8-1：提取转接段部分，并沿进口向前延伸5m，作为开道喷管射流部分；在X、Y、Z三个方向建立外部流场模型，其形状为10m×10m×15m的方形域；
步骤8-2：对转接段部分和外部流场部分分别进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的开道喷管外部流场完成网格无关性验证；
步骤8-3：设置边界条件为：开道喷管转接段进口设置总温、总压边界条件，其具体数值由步骤7-2中的内部流场计算所得；地面和喷口壁面采用绝热、无滑移、光滑壁面边界条件；计算域其他五个界面采用压力远场边界；转接段的出口和外部流场的进口设置为内部交界面；
步骤8-4：分析开道喷管外部流场的射流速度、射流温度沿纵向和展向的分布；确定不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，且当单侧射流长度均超过1.5m时，按照1.5m处的射流宽度进行测算，同时要求两个开道喷管不存在出口气流干涉现象。
优选的，所述步骤9具体为：
步骤9-1：选取开道喷管的出口截面横向间距、纵向间距、出口形状作为优化设计参数进行仿真计算；
步骤9-2：对比不同出口截面横向间距时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，确定最佳出口截面横向间距；
步骤9-3：基于最佳出口截面横向间距，对比不同出口截面纵向间距时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，确定最佳出口截面纵向间距；
步骤9-4：基于最佳出口截面横向和纵向间距，对比不同开道喷管出口形状时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，确定最佳出口形状。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明公开了一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，基于涡轮风扇发动机特性和一维管流理论确定排气装置的进出口边界条件，突破当前热吹除雪排气装置均是基于涡轮喷气发动机改型的现状，实现准确获得内、外涵道混合时排气装置的进口边界条件，以及保证排气装置处于临界或超临界状态，实现发动机性能的充分利用；
(2)本发明采用的排气装置外部流场仿真方法，综合考虑计算精度和计算效率，对转接段和外部流场独立地进行网格划分，尤其对于存在两个喷口的开道喷管，更是显著提高了计算效率；
(3)由于吹雪过程主要利用排气的速度特性，而对于融冰则主要考虑排气的温度特性，本发明综合考虑排气速度和排气温度的有效区和死区，可有助于提升吹雪和融冰效果，同时对于沥青地面，还可以避免由于排气温度局部过高，导致路面损毁的问题；
(4)本发明优化结果表明，对于无论是主喷管还是开道喷管，处于特定长宽比下的矩形喷管，其出口射流的速度特性和温度特性均优于圆形喷管，可显著提升除雪效率；
(5)本发明设计了排气装置的转接段，对于不同出口截面形状的排气装置，可降低优化计算量，同时在后期试验和实际使用中降低了成本。
附图说明
图1、本发明一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法的流程图；
图2、本发明实施例11出口截面为圆形截面的主喷管三维模型图；
图3、本发明实施例11出口截面为1：1矩形截面的主喷管三维模型图；
图4a、本发明实施例11转接段网格划分图；
图4b、本发明实施例11外部流场网格划分图；
图5、本发明实施例11主喷管外部流场计算模型及边界条件图；
图6、本发明实施例11速度标准为50m/s时主喷管的排气速度有效区和死区分布图；
图7、本发明实施例11温度标准为60℃时主喷管的排气温度有效区和死区分布图；
图8、本发明实施例11不同截面形状时主喷管的排气速度标准为50m/s时有效区的长度和宽度图；
图9、本发明实施例11不同截面形状时主喷管的排气温度标准为60℃时有效区的长度和宽度图；
图10a、本发明实施例11出口截面为圆形截面的开道喷管三维模型图；
图10b、本发明实施例11出口截面为1：1矩形截面的开道喷管三维模型图；
图11、本发明实施例11开道喷管的出口速度和静温分布图；
图12、本发明实施例11开道喷管的外部流场网格划分图；
图13、本发明实施例11开道喷管外部流场计算模型及边界条件图；
图14、本发明实施例11速度标准为50m/s时开道喷管的排气速度有效区和死区分布图；
图15、本发明实施例11不同截面形状时开道喷管的排气速度有效区的长度和宽度图。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
如图1所示，本发明公开了一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1：确定基于涡轮风扇发动机改型的热吹除雪排气装置的进口边界条件和出口边界条件；根据涡轮风扇发动机性能手册查取性能参数，然后通过能量守恒理论确定排气装置进口边界条件，根据一维管流理论确定排气装置出口边界条件；
步骤2：设计不同出口截面形状下主喷管的三维实体模型；即主喷管三维模型设计；
步骤3：根据步骤1所述进口边界条件和出口边界条件以及步骤2所述三维实体模型，然后基于内部流场仿真方法确定不同出口截面形状下主喷管的出口气动参数和内部流场情况；即主喷管内部流场模拟；
步骤4：根据步骤3所述出口气动参数和内部流场情况，然后基于外部流场仿真方法确定不同出口截面形状下主喷管的外部射流特性；即主喷管外部流场模拟；
步骤5：针对主喷管的典型结构特征分析不同优化设计参数，并分析不同优化设计参数对排气装置中主喷管的外部射流特性的影响规律，实现主喷管优化设计；即主喷管距离地面距离、出口倾角、出口形状的优化设计；
步骤6：设计不同出口截面形状下开道喷管的三维实体模型；即开道喷管三维模型设计；
步骤7：根据步骤1所述进口边界条件和出口边界条件以及步骤6所述三维实体模型，然后基于内部流场仿真方法确定不同出口截面形状下开道喷管的出口气动参数和内部流场情况；即开道喷管内部流场模拟；
步骤8：根据步骤7所述出口气动参数和内部流场情况，然后基于外部流场仿真方法确定不同出口截面形状下开道喷管的外部射流特性；即开道喷管外部流场模拟；
步骤9：针对开道喷管的典型结构特征分析不同优化设计参数，并分析不同优化设计参数对排气装置中开道喷管的外部射流特性的影响规律，实现开道喷管优化设计；即开道喷管出口截面横向间距、纵向间距、出口形状的优化设计；
步骤10：通过步骤5和步骤9实现涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计。
实施例2
优选的，所述步骤1具体为：
步骤1-1：根据涡轮风扇发动机性能手册，查取性能参数，其中性能参数包括：不同工作状态下的涵道比、总空气流量、内涵温度、外涵温度、涡轮进口总压、涡轮落压比和外涵压力；
步骤1-2：根据涵道比和总空气流量的关系，确定内涵空气流量和外涵空气流量；根据内涵空气流量、外涵空气流量、内涵温度、外涵温度，以及理想气体能量守恒理论，确定内外涵混合器的出口温度，即排气装置进口总温(相当于排气装置进口边界条件中的总温)；根据涡轮进口总压、涡轮落压比、外涵压力，通过查取涡轮风扇发动机内外涵混合器的压力特性图，确定混合器的出口压力，即排气装置进口总压(相当于排气装置进口边界条件中的总压)；基于一维管流计算理论，确定排气装置的出口流动状态，从而确定排气装置出口静压(相当于排气装置出口边界条件中的反压)。
实施例3
所述步骤2具体为：
步骤2-1：根据除雪车的总体尺寸确定排气装置主喷管的尺寸，利用三维建模软件进行排气装置主喷口尺寸设计，其中主喷管进口尺寸为涡轮风扇发动机原排气段进口尺寸，主喷管出口共设计了圆形截面、1：1矩形截面、1.25：1矩形截面、1.5：1矩形截面、1.75：1矩形截面、2：1矩形截面、2.5：1矩形截面7种不同出口形状的喷口，且不同出口形状的几何面积一致；
步骤2-2：为保证不同主喷管出口截面的易换性，单独设计长度一致的转接段，其中转接段进口为面积相等的圆形截面，转接段出口为圆形截面或不同长宽比的矩形截面。
实施例4
所述步骤3具体为：
步骤3-1：对不同出口截面形状的排气装置主喷管内部流场进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的主喷管完成网格无关性验证；
步骤3-2：根据步骤1-2中的排气装置进口边界条件，以及排气装置出口静压进行主喷管内部流场模拟；
步骤3-3：根据主喷管内部流场模拟结果，对主喷管的流道形状进行局部优化设计，要求在流道中不出现局部超音区，以保证出口射流的稳定；
步骤3-4：对比不同出口截面形状的排气装置主喷管的平均总压、速度和静温值，以及出口截面速度分布、静温分布和内部流道的流线分布，确定流动状态好的截面形状。
实施例5
所述步骤4具体为：
步骤4-1：提取转接段部分，并沿进口向前延伸200mm，作为主喷管射流部分；在X、Y、Z三个方向建立外部流场模型，其形状为50m×50m×25m的方形域；
步骤4-2：对转接段部分和外部流场部分分别进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的主喷管外部流场完成网格无关性验证；
步骤4-3：设置边界条件为：主喷管转接段进口设置总温、总压边界条件，其具体数值由步骤3-2中的内部流场计算所得；地面和喷口壁面采用绝热、无滑移、光滑壁面边界条件；计算域其他五个界面采用压力远场边界；转接段的出口和外部流场的进口设置为内部交界面；
步骤4-4：分析主喷管外部流场的射流速度、射流温度沿纵向和展向的分布；确定不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准下温度有效区和温度死区的长度和宽度，且当单侧射流长度超过30m时，按照30m处的射流宽度进行测算。
实施例6
所述步骤5具体为：
步骤5-1：选取主喷管的出口截面距离地面距离、出口倾角、出口形状作为优化设计参数进行仿真计算；
步骤5-2：对比距离地面不同距离时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准下温度有效区和温度死区的长度和宽度，确定最佳距离地面距离；
步骤5-3：基于最佳距离地面距离，对比不同出口倾角下，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准下温度有效区和温度死区的长度和宽度，确定最佳距离出口倾角；
步骤5-4：基于最佳距离地面距离和出口倾角，对比不同主喷口出口形状时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准下温度有效区和温度死区的长度和宽度，确定最佳出口形状。
实施例7
所述步骤6具体为：
步骤6-1：根据除雪车总体尺寸确定排气装置开道喷管的尺寸，利用三维建模软件进行排气装置开道喷口尺寸设计，其中主要参数包括：两开道喷管出口直径、横向间距、纵向间距、高低错开间距、出口倾角，开道喷管出口设计了圆形截面、1：1矩形截面、1.25：1矩形截面、1.5：1矩形截面、1.75：1矩形截面、2： 1矩形截面6种不同出口形状的喷口，且不同出口形状的几何面积一致；
步骤6-2：为保证不同开道喷管出口截面的易换性，单独设计长度一致的转接段，其中转接段进口为面积相等的圆形截面，转接段出口为圆形截面或不同长宽比的矩形截面。
所述开道喷管的圆形或矩形出口可以考虑用椭圆形出口来替代，需对不同长短轴比值下的椭圆出口排气特性进行优化分析。
实施例8
所述步骤7具体为：
步骤7-1：对不同出口截面形状的排气装置开道喷管内部流场进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的开道喷管内部流场完成网格无关性验证；
步骤7-2：根据步骤1中的排气装置进口边界条件，以及排气装置出口静压进行内部流场模拟；
步骤7-3：根据内部流场模拟结果，对开道喷管的流道形状进行局部优化设计，要求在流道中不出现局部超音区，以保证出口射流的稳定；
步骤7-4：对比不同出口截面形状的排气装置开道喷管的平均总压、速度、静温值，以及出口截面速度分布、静温分布和内部流道的流线分布，确定流动状态好的截面形状。
实施例9
所述步骤8具体为：
步骤8-1：提取转接段部分，并沿进口向前延伸5m，作为开道喷管射流部分；在X、Y、Z三个方向建立外部流场模型，其形状为10m×10m×15m的方形域；
步骤8-2：对转接段部分和外部流场部分分别进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的开道喷管外部流场完成网格无关性验证；
步骤8-3：设置边界条件为：开道喷管转接段进口设置总温、总压边界条件，其具体数值由步骤7-2中的内部流场计算所得；地面和喷口壁面采用绝热、无滑移、光滑壁面边界条件；计算域其他五个界面采用压力远场边界；转接段出口和外部流场的进口设置为内部交界面；
步骤8-4：分析开道喷管外部流场的射流速度、射流温度沿纵向和展向的分布；确定不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，且当单侧射流长度均超过1.5m时，按照1.5m处的射流宽度进行测算，同时要求两个开道喷管不存在出口气流干涉现象。
实施例10
所述步骤9具体为：
步骤9-1：选取开道喷管的出口截面横向间距、纵向间距、出口形状作为优化设计参数进行仿真计算；
步骤9-2：对比不同出口截面横向间距时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，确定最佳出口截面横向间距；
步骤9-3：基于最佳出口截面横向间距，对比不同出口截面纵向间距时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，确定最佳出口截面纵向间距；
步骤9-4：基于最佳出口截面横向和纵向间距，对比不同开道喷管出口形状时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，确定最佳出口形状。
实施例11
步骤1-1：根据涡轮风扇发动机性能手册，查取性能参数，包括：不同工作状态下的涵道比、总空气流量、内涵温度、外涵温度、涡轮进口总压、涡轮落压比、外涵压力；以某型涡扇发动机为例，经查取性能手册得到0.6额定工作状态下，涵道比为2.48、总空气流量为185kg/s、内涵温度为708K、外涵温度为338K、涡轮进口总压为12.5atm、涡轮落压比为7、外涵压力为1.8atm。
步骤1-2：计算排气装置进出口边界条件：根据涵道比和总空气流量的关系，确定内涵空气流量和外涵空气流量(具体计算公式为：B＝m外/m内，m总＝m外+m内，其中B为涵道比，m总为总空气流量，m外为外涵空气流量，m内为内涵空气流量)；根据内涵空气流量、外涵空气流量、内涵温度、外涵温度，以及理想气体能量守恒理论，确定内外涵混合器的出口温度(具体计算公式为：m外×T外+m内×T内＝(m 外+m内)×T混，其中T外、T内、T混分别为外涵温度、内涵温度、内外涵混合器的出口温度)，即排气装置进口总温；根据涡轮进口总压、涡轮落压比、外涵压力，通过查取涡扇发动机内外涵混合器的压力特性图，确定混合器的出口压力(具体计算公式为：P6＝P4/πT，其中P4为涡轮进口总压、P6为涡轮出口总压、πT为涡轮落压比。根据涡轮出口总压和外涵压力，通过查取《某型涡扇发动机构造》中的混合器压力特性图，获得混合器的出口压力)，即排气装置进口总压。基于一维管流计算理论，确定排气装置的出口流动状态(具体为根据一维管流流量计算公式m总＝k P6Aq(λ)/(T混)0.5，其中k＝1.33，A为排气装置出口面积，q(λ)为密流)，经计算对于不同的工作状态可得q(λ)≤1，表明在不同工作状态下喷管均处于完全膨胀或过度膨胀状态，从而确定排气装置出口静压即为大气压力。以某型涡扇发动机为例，0.6额定工作状态下，内涵空气流量和外涵空气流量分别为53.16kg/s和131.84kg/s，排气装置进口总温为444.3K，排气装置进口总压为1.72atm，排气装置出口静压为1atm。
步骤2-1：主喷管三维模型设计：根据除雪车的总体尺寸确定排气装置主喷管的尺寸，利用三维建模软件进行排气装置主喷口尺寸设计，其中主喷管进口尺寸为涡轮风扇发动机原排气段进口尺寸，主喷管出口共设计了圆形截面、1：1 矩形截面、1.25：1矩形截面、1.5：1矩形截面、1.75：1矩形截面、2：1矩形截面、2.5：1矩形截面7种不同出口形状的喷口，且不同出口形状的几何面积一致；
如图2、3所示，步骤2-2：为保证不同主喷管出口截面的易换性，单独设计长度一致的转接段(长度一般不超过200mm)，其中转接段进口为面积相等的圆形截面，出口为圆形截面或不同长宽比的矩形截面。以某型涡扇发动机为例，主喷管进口尺寸为0.83m2，转接段的进口直径为900mm，长度为172.4mm，截面面积为0.395m2，其中出口截面为圆形和1：1矩形截面的主喷口三维模型。
步骤3-1：主喷管内部流场网格划分：对不同出口截面形状的排气装置主喷管内部流场进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的主喷管完成网格无关性验证；
步骤3-2：主喷管内部流场数值模拟：根据步骤1中的排气装置进口边界条件，以及出口平均静压边界条件(喷管处于完全膨胀状态或过度膨胀状态，出口平均静压即为大气压力)进行流场模拟；
步骤3-3：主喷管流道形状局部优化：根据内部流场模拟结果，对主喷管的流道形状进行局部优化设计，要求在流道中不出现局部超音区，以保证出口射流的稳定。
步骤3-4：主喷管内部流场参数和特性分析：对比不同出口截面形状的排气装置主喷管的的平均总压、速度、静温值，以及出口截面速度分布、静温分布和内部流道的流线分布，确定流动状态较好的截面形状。以某型涡扇发动机为例，不同出口截面形状的排气装置主喷管的的平均总压、速度、静温值如表1所示：
表1主喷管出口截面特征参数
Figure RE-GDA0003245409790000141
Figure RE-GDA0003245409790000151
步骤4-1：主喷管外部流场建模：提取转接段部分，并沿进口向前延伸200mm，作为主喷管射流部分；在X、Y、Z三个方向建立外部流场模型，其形状为 50m×50m×25m的方形域；
步骤4-2：对转接段部分和外部流场部分分别进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的主喷管外部流场完成网格无关性验证；以某型涡扇发动机为例，如图4a、4b所示，主喷管转接段部分和外部流场部分的网格。
如图5所示，步骤4-3：主喷管外部流场数值模拟：设置边界条件为：主喷管转接段进口设置总温、总压边界条件，其具体数值由步骤3-2中的内部流场计算所得；地面和喷口壁面采用绝热、无滑移、光滑壁面边界条件；计算域其他五个界面采用压力远场边界；转接段的出口和外部流场的进口设置为内部交界面。以某型涡扇发动机为例，具体主喷管外部流场的边界条件设置，利用计算流体力学软件对圆形出口截面形状的外部流场进行数值模拟；
步骤4-4：主喷管外部流场参数和特性分析：分析主喷口外部流场的射流速度、射流温度沿纵向和展向的分布；确定不同射流速度标准(20m/s、30m/s、40m/s、 50m/s、60m/s、70m/s)下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准(45℃、60℃、70℃)下温度有效区和温度死区的长度和宽度，且当单侧射流长度超过30m时(符合机场跑道60m宽度的除雪需求)，按照30m处的射流宽度进行测算。
以某型涡扇发动机为例，如图6所示，给出了射流速度标准为50m/s下速度有效区和速度死区的分布，如图7所示，给出了射流温度标准为60℃下温度有效区和温度死区的分布，其中图中黑色线表示距离主喷口30m。由图6可知，当有效区速度标准为50m/s时，主喷管出口的单侧射流长度可达到30m，符合机场跑道 60m宽度的除雪需求，也符合一般公路的除雪需求。但是，主喷管出口处也出现了由于喷口高度和射流倾角而导致的速度死区，且随着速度标准的提高，速度死区的长度和高度均将随之增大。由图7可知，温度有效区的长度随温度标准的升高衰减的极快，当温度标准为333K时，主喷管出口的单侧射流长度已经远小于30m，同时喷管出口出现了明显的温度死区，其长度和高度均大于速度死区的长度和高度。因此，对于主喷管结构参数的优化设计时，必须综合考虑速度及温度的有效区和死区尺寸。
步骤5-1：主喷管外部流场优化参数选取：选取主喷管的出口截面距离地面距离、出口倾角、出口形状作为优化参数进行仿真计算；
步骤5-2：出口截面距离地面距离优化分析：对比距离地面不同距离150mm、175mm、200mm时，不同射流速度标准(20m/s、30m/s、40m/s、50m/s、60m/s、 70m/s)下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准(45℃、 60℃、70℃)下温度有效区和温度死区的长度和宽度，确定最佳距离地面距离。
步骤5-3：出口倾角优化分析：基于最佳距离地面距离，对比不同出口倾角下10°、12.5°、15°和17.5°时，不同射流速度标准(20m/s、30m/s、40m/s、50m/s、 60m/s、70m/s)下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准 (45℃、60℃、70℃)下温度有效区和温度死区的长度和宽度，确定最佳距离出口倾角；
步骤5-4：出口形状优化分析：基于最佳距离地面距离和出口倾角，对比不同主喷口出口截面形状时，不同射流速度标准(20m/s、30m/s、40m/s、50m/s、 60m/s、70m/s)下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准 (45℃、60℃、70℃)下温度有效区和温度死区的长度和宽度，确定最佳出口形状。
以某型涡扇发动机为例，如图8所示，给出了不同出口截面形状时，主喷管的速度标准为50m/s时有效区的长度和宽度，如图9所示，给出了不同出口截面形状时，主喷管的温度标准为60℃时有效区的长度和宽度。表2给出了不同出口截面形状时，主喷管的速度标准为50m/s时有效区的长度和宽度的具体数值，以及主喷管的温度标准为60℃时有效区的长度和宽度的具体数值。由图8和表2分析可知，当速度标准为50m/s时，随着喷口长宽比的增大，速度有效区的长度减小的较快，而有效区的宽度基本保持不变。总的来说，对于该型涡扇发动机，当关注有效速度50m/s以下时，1.5:1矩形截面的射流效果较佳，而当考虑有效速度60m/s 以下时，1.25:1矩形截面的射流效果较佳。综合考虑速度有效区和速度死区尺寸，以及实际除雪中对射流速度的要求，对于该型涡扇发动机，采用1.25:1矩形截面和1.5:1矩形截面的主喷管形状效果最佳。由图9和表2分析可知，对于该型涡扇发动机，随着喷口截面长宽比的增大，温度有效区的长度快速减小，而宽度相对增加较慢。综合考虑温度有效区和温度死区尺寸，以及实际除雪中对射流温度的要求，对于该型涡扇发动机，采用1.25:1矩形截面和1.5:1矩形截面的主喷管形状效果最佳。因此，综合考虑射流速度及温度的有效区和死区尺寸，对于对于该型涡扇发动机，主喷管可选择1.25:1矩形截面和1.5:1矩形截面作为出口形状。
表2不同截面形状时主喷管的排气速度和排气温度有效区的长度和宽度
Figure RE-GDA0003245409790000171
步骤6-1：开道喷管三维模型设计：根据除雪车总体尺寸确定排气装置开道喷管的尺寸，利用三维建模软件进行排气装置开道喷口尺寸设计，其中主要参数包括：两喷管出口直径、横向间距、纵向间距、高低错开间距、出口倾角。同样，开道喷管出口也设计了圆形截面、1：1矩形截面、1.25：1矩形截面、1.5：1矩形截面、1.75：1矩形截面、2：1矩形截面6种不同出口形状的喷口，且不同出口形状的几何面积一致；
如图10a、10b所示，步骤6-2：为保证不同开道喷管出口截面的易换性，单独设计长度一致的转接段(长度不超过200mm)，其中转接段进口为面积相等的圆形截面，出口为圆形截面或不同长宽比的矩形截面。以某型涡扇发动机为例，两个开道喷管的出口直径均为160mm、对地角度为20°、横向间距为500mm、纵向间距为300mm、高低错开50mm(其中一个开道喷管的出口距离地面高度最低为190mm，另一开道喷管的出口距离地面高度最低为240mm)，转接段的进口直径为180mm，长度为200mm，其中出口截面为圆形和1：1矩形截面的开道喷口三维模型。
步骤7-1：开道喷管内部流场网格划分：对不同出口截面形状的排气装置开道喷管内部流场进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的开道喷管内部流场完成网格无关性验证；
步骤7-2：开道喷管内部流场数值模拟：根据步骤1中的排气装置进口边界条件，以及出口平均静压边界条件(喷管处于完全膨胀状态或过度膨胀状态，出口平均静压即为大气压力)进行流场模拟；
步骤7-3：开道喷管流道形状局部优化：根据内部流场模拟结果，对开道喷管的流道形状进行局部优化设计，要求在流道中不出现局部超音区，以保证出口射流的稳定。
如图11所示，步骤7-4：开道喷管内部流场参数和特性分析：对比不同出口截面形状的排气装置开道喷管的的平均总压、速度、静温值，以及出口截面速度分布、静温分布和内部流道的流线分布，确定流动状态较好的截面形状。以某型涡扇发动机为例，圆形开道喷管的出口截面的速度和静温分布。
步骤8-1：开道喷管外部流场建模：提取转接段部分，并沿进口向前延伸 5m，作为喷管射流部分；在X、Y、Z三个方向建立外部流场模型，其形状为 10m×10m×15m的方形域；
如图12所示，步骤8-2：开道喷管外部流场网格划分：对转接段部分和外部流场部分分别进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的开道喷管外部流场完成网格无关性验证。以某型涡扇发动机为例，开道喷管的外部流场网格；
如图13所示，步骤8-3：开道喷管外部流场数值模拟：设置边界条件为：开道喷管转接段进口设置总温、总压边界条件，其具体数值由步骤7中的内部流场计算所得；地面和喷口壁面采用绝热、无滑移、光滑壁面边界条件；计算域其他五个界面采用压力远场边界；喷口转接段的出口和外部流场的进口设置为内部交界面。以某型涡扇发动机为例，开道喷管外部流场的具体边界条件设置，利用计算流体力学软件对圆形出口截面形状的外部流场进行数值模拟。
步骤8-4：开道喷管外部流场参数和特性分析：分析开道喷管外部流场的射流速度、射流温度沿纵向和展向的分布；确定不同射流速度标准(30m/s、40m/s、 50m/s、60m/s、70m/s)下速度有效区和速度死区的长度和宽度，且当单侧射流长度均超过1.5m时(符合车体3m宽度的要求)，按照1.5m处的射流宽度进行测算。同时，要求两个开道喷管不存在出口气流干涉现象。
以某型涡扇发动机为例，如图14所示，给出了该型涡扇发动机在射流速度标准为50m/s下，速度有效区和速度死区的分布，其中图中黑色线表示距离开道喷口1.5m，而红色射流区的尺寸超出方形域的边界是由于将转接段延伸至方形域之外导致的。需要说明的是，由于开道喷管的主要功能是将除雪车车体下的积雪进行吹除，因此主要考虑其出口射流的速度特性，并未综合考虑其温度特性。由图 14可知，对于该型涡扇发动机，当速度标准为50m/s时，单侧射流长度可达到1.5m，且两个开道喷管不存在出口气流干涉现象，符合车体的除雪需求。对于距离地面高度为190mm的开道喷口和距离地面高度为240mm的开道喷口而言，均出现了速度死区，同时随着喷口距离地面的距离增大，死区的长度将随之增大。因此，对于开道喷管结构参数的优化设计时，必须综合考虑速度的有效区和死区尺寸。
步骤9-1：开道喷管外部流场优化参数选取：选取开道喷管的出口截面横向间距、纵向间距、出口形状作为优化参数进行仿真计算；
步骤9-2：出口截面横向间距优化分析：对比不同出口截面横向间距(400mm、425mm、450mm、475mm和500mm)时，不同射流速度标准(30m/s、40m/s、 50m/s、60m/s、70m/s)下速度有效区和速度死区的长度和宽度，确定最佳出口截面横向间距；
步骤9-3：出口截面纵向间距优化分析：基于最佳出口截面横向间距，对比不同出口截面纵向间距(250mm、275mm、300mm)时，不同射流速度标准(30m/s、 40m/s、50m/s、60m/s、70m/s)下速度有效区和速度死区的长度和宽度，确定最佳出口截面纵向间距；
步骤9-4：出口形状优化分析：基于最佳出口截面横向和纵向间距，对比不同开道喷管出口截面形状时，不同射流速度标准(30m/s、40m/s、50m/s、60m/s、 70m/s)下速度有效区和速度死区的长度和宽度，确定最佳出口形状。
以某型涡扇发动机为例，如图15所示，给出了该型涡扇发动机不同出口截面形状时，开道喷管的速度有效区的长度和宽度。表3给出了不同出口截面形状时，该型涡扇发动机开道喷管的速度有效区的长度和宽度的具体数值。由图15和表3 分析可知，对于该型涡扇发动机，当开道喷管出口射流的速度有效区的标准为 50m/s时，对于不同的出口截面形状其单侧射流长度均能达到1.5m，符合车身的除雪需求，且随着有效区速度标准的提高，有效区宽度都随之减小。同时，相较于其他喷口形式，1.25:1矩形截面喷口的有效区宽度最大，尤其是在速度标准较低时其速度有效区的宽度优势更为明显。因此，综合考虑射流速度的有效区和死区尺寸，对于该型涡扇发动机，开道喷口喷管可选择1.25:1矩形截面作为出口形状。
表3不同截面形状时开道喷管的排气速度有效区的长度和宽度
Figure RE-GDA0003245409790000201
Figure RE-GDA0003245409790000211
本发明公开了一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，基于涡轮风扇发动机特性和一维管流理论确定排气装置的进出口边界条件，突破当前热吹除雪排气装置均是基于涡轮喷气发动机改型的现状，实现准确获得内、外涵道混合时排气装置的进口边界条件，以及保证排气装置处于临界或超临界状态，实现发动机性能的充分利用。
本发明采用的排气装置外部流场仿真方法，综合考虑计算精度和计算效率，对转接段和外部流场独立地进行网格划分，尤其对于存在两个喷口的开道喷管，更是显著提高了计算效率。
由于吹雪过程主要利用排气速度特性，而对于融冰则主要考虑排气温度特性，本发明综合考虑排气速度和排气温度的有效区和死区，可有助于提升吹雪和融冰效果，同时对于沥青地面，还可以避免由于排气温度局部过高，导致路面损毁的问题。
本发明优化结果表明，对于无论是主喷管还是开道喷管，处于特定长宽比下的矩形喷管，其出口射流的速度特性和温度特性均优于圆形喷管，可显著提升除雪效率。
本发明设计了排气装置的转接段，对于不同出口截面形状的排气装置，可降低优化计算量，同时在后期试验和实际使用中降低了成本。
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定基于涡轮风扇发动机改型的热吹除雪排气装置的进口边界条件和出口边界条件；
步骤2：设计不同出口截面形状下主喷管的三维实体模型；
步骤3：根据步骤1所述进口边界条件和出口边界条件以及步骤2所述三维实体模型，然后基于内部流场仿真方法确定不同出口截面形状下主喷管的出口气动参数和内部流场情况；
步骤4：根据步骤3所述出口气动参数和内部流场情况，然后基于外部流场仿真方法确定不同出口截面形状下主喷管的外部射流特性；
步骤5：针对主喷管的典型结构特征分析不同优化设计参数，并分析不同优化设计参数对排气装置中主喷管的外部射流特性的影响规律，实现主喷管优化设计；
步骤6：设计不同出口截面形状下开道喷管的三维实体模型；
步骤7：根据步骤1所述进口边界条件和出口边界条件以及步骤6所述三维实体模型，然后基于内部流场仿真方法确定不同出口截面形状下开道喷管的出口气动参数和内部流场情况；
步骤8：根据步骤7所述出口气动参数和内部流场情况，然后基于外部流场仿真方法确定不同出口截面形状下开道喷管的外部射流特性；
步骤9：针对开道喷管的典型结构特征分析不同优化设计参数，并分析不同优化设计参数对排气装置中开道喷管的外部射流特性的影响规律，实现开道喷管优化设计；
步骤10：通过步骤5和步骤9实现涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计。
2.根据权利要求1所述的一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
步骤1-1：根据涡轮风扇发动机性能手册，查取性能参数，其中性能参数包括：不同工作状态下的涵道比、总空气流量、内涵温度、外涵温度、涡轮进口总压、涡轮落压比和外涵压力；
步骤1-2：根据涵道比和总空气流量的关系，确定内涵空气流量和外涵空气流量；根据内涵空气流量、外涵空气流量、内涵温度、外涵温度，以及理想气体能量守恒理论，确定内外涵混合器的出口温度，即排气装置进口总温；根据涡轮进口总压、涡轮落压比、外涵压力，通过查取涡轮风扇发动机内外涵混合器的压力特性图，确定混合器的出口压力，即排气装置进口总压；基于一维管流计算理论，确定排气装置的出口流动状态，从而确定排气装置出口静压。
3.根据权利要求1所述的一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤2-1：根据除雪车的总体尺寸确定排气装置主喷管的尺寸，利用三维建模软件进行排气装置主喷口尺寸设计，其中主喷管进口尺寸为涡轮风扇发动机原排气段进口尺寸，主喷管出口共设计了圆形截面、1：1矩形截面、1.25：1矩形截面、1.5：1矩形截面、1.75：1矩形截面、2：1矩形截面、2.5：1矩形截面7种不同出口形状的喷口，且不同出口形状的几何面积一致；
步骤2-2：为保证不同主喷管出口截面的易换性，单独设计长度一致的转接段，其中转接段进口为面积相等的圆形截面，转接段出口为圆形截面或不同长宽比的矩形截面。
4.根据权利要求2所述的一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
步骤3-1：对不同出口截面形状的排气装置主喷管内部流场进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的主喷管完成网格无关性验证；
步骤3-2：根据步骤1-2中的排气装置进口边界条件，以及排气装置出口静压进行主喷管内部流场模拟；
步骤3-3：根据主喷管内部流场模拟结果，对主喷管的流道形状进行局部优化设计，要求在流道中不出现局部超音区，以保证出口射流的稳定；
步骤3-4：对比不同出口截面形状的排气装置主喷管的平均总压、速度和静温值，以及出口截面速度分布、静温分布和内部流道的流线分布，确定流动状态好的截面形状。
5.根据权利要求4所述的一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，其特征在于，所述步骤4具体为：
步骤4-1：提取转接段部分，并沿进口向前延伸200mm，作为主喷管射流部分；在X、Y、Z三个方向建立外部流场模型，其形状为50m×50m×25m的方形域；
步骤4-2：对转接段部分和外部流场部分分别进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的主喷管外部流场完成网格无关性验证；
步骤4-3：设置边界条件为：主喷管转接段进口设置总温、总压边界条件，其具体数值由步骤3-2中的内部流场计算所得；地面和喷口壁面采用绝热、无滑移、光滑壁面边界条件；计算域其他五个界面采用压力远场边界；转接段的出口和外部流场的进口设置为内部交界面；
步骤4-4：分析主喷管外部流场的射流速度、射流温度沿纵向和展向的分布；确定不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准下温度有效区和温度死区的长度和宽度，且当单侧射流长度超过30m时，按照30m处的射流宽度进行测算。
6.根据权利要求5所述的一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，其特征在于，所述步骤5具体为：
步骤5-1：选取主喷管的出口截面距离地面距离、出口倾角、出口形状作为优化设计参数进行仿真计算；
步骤5-2：对比距离地面不同距离时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准下温度有效区和温度死区的长度和宽度，确定最佳距离地面距离；
步骤5-3：基于最佳距离地面距离，对比不同出口倾角下，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准下温度有效区和温度死区的长度和宽度，确定最佳距离出口倾角；
步骤5-4：基于最佳距离地面距离和出口倾角，对比不同主喷管出口形状时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，以及不同射流温度标准下温度有效区和温度死区的长度和宽度，确定最佳出口形状。
7.根据权利要求1所述的一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，其特征在于，所述步骤6具体为：
步骤6-1：根据除雪车总体尺寸确定排气装置开道喷管的尺寸，利用三维建模软件进行排气装置开道喷口尺寸设计，其中主要参数包括：两开道喷管出口直径、横向间距、纵向间距、高低错开间距、出口倾角，开道喷管出口设计了圆形截面、1：1矩形截面、1.25：1矩形截面、1.5：1矩形截面、1.75：1矩形截面、2：1矩形截面6种不同出口形状的喷口，且不同出口形状的几何面积一致；
步骤6-2：为保证不同开道喷管出口截面的易换性，单独设计长度一致的转接段，其中转接段进口为面积相等的圆形截面，转接段出口为圆形截面或不同长宽比的矩形截面。
8.根据权利要求7所述的一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，其特征在于，所述步骤7具体为：
步骤7-1：对不同出口截面形状的排气装置开道喷管内部流场进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的开道喷管内部流场完成网格无关性验证；
步骤7-2：根据步骤1中的排气装置进口边界条件，以及排气装置出口静压进行内部流场模拟；
步骤7-3：根据内部流场模拟结果，对开道喷管的流道形状进行局部优化设计，要求在流道中不出现局部超音区，以保证出口射流的稳定；
步骤7-4：对比不同出口截面形状的排气装置开道喷管的平均总压、速度、静温值，以及出口截面速度分布、静温分布和内部流道的流线分布，确定流动状态好的截面形状。
9.根据权利要求7所述的一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，其特征在于，所述步骤8具体为：
步骤8-1：提取转接段部分，并沿进口向前延伸5m，作为开道喷管射流部分；在X、Y、Z三个方向建立外部流场模型，其形状为10m×10m×15m的方形域；
步骤8-2：对转接段部分和外部流场部分分别进行网格划分，其中y+满足湍流模型要求，根据流场网格无关性准则对排气装置的开道喷管外部流场完成网格无关性验证；
步骤8-3：设置边界条件为：开道喷管转接段进口设置总温、总压边界条件，其具体数值由步骤7-2中的内部流场计算所得；地面和喷口壁面采用绝热、无滑移、光滑壁面边界条件；计算域其他五个界面采用压力远场边界；转接段的出口和外部流场的进口设置为内部交界面；
步骤8-4：分析开道喷管外部流场的射流速度、射流温度沿纵向和展向的分布；确定不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，且当单侧射流长度均超过1.5m时，按照1.5m处的射流宽度进行测算，同时要求两个开道喷管不存在出口气流干涉现象。
10.根据权利要求7所述的一种涡扇发动机热吹除雪排气装置的仿真优化设计方法，其特征在于，所述步骤9具体为：
步骤9-1：选取开道喷管的出口截面横向间距、纵向间距、出口形状作为优化设计参数进行仿真计算；
步骤9-2：对比不同出口截面横向间距时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，确定最佳出口截面横向间距；
步骤9-3：基于最佳出口截面横向间距，对比不同出口截面纵向间距时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，确定最佳出口截面纵向间距；
步骤9-4：基于最佳出口截面横向和纵向间距，对比不同开道喷管出口形状时，不同射流速度标准下速度有效区和速度死区的长度和宽度，确定最佳出口形状。
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