CN113553683A - 发动机整机热管理仿真分析方法、装置及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机整机热管理仿真分析方法、装置及电子设备，该方法包括：搭建流体网络，流体网络包括燃油系统流体网络、滑油系统流体网络和空气系统流体网络；搭建热网络；使用所述热网络将所述燃油系统流体网络、滑油系统流体网络以及空气系统流体网络连接，构成新网络；求解所述新网络中每一流体元件以及热网络元件的对应参数，其中，对应参数包括流体元件的压力和质量流量参数以及新热网络元件的热流和温度参数。该方法能显著提高热管理分析效率和精度，且能同时获得流体和固体的温度计算结果。

Description

发动机整机热管理仿真分析方法、装置及电子设备
技术领域
本发明属于发动机热分析技术领域，具体涉及一种基于流体网络法的航空发动机整机热管理仿真分析方法、装置及电子设备。
背景技术
随着发动机性能的提高，发动机滑油系统和燃油系统的热负荷也越来越高。目前，逐渐使用综合热管理系统对飞机和发动机的散热量进行统一的管理和控制。
飞机将环控系统、液压系统、润滑系统的热量加到燃油中，发动机燃油由飞机油箱供给，待对发动机的滑油系统进行冷却后，一部分进入燃烧室烧掉，另一部分经过冲压空气冷却后回到飞机油箱，这部分燃油热量可以控制，也是飞机能够帮助发动机解决的热量。热管理系统通过对飞机和发动机散热量统一协调控制，实现二者系统的热量平衡，保证二者都能在合适的系统工作温度范围内工作。热管理系统需要通过感受燃油和滑油的温度，调整燃油的热回油流量，实现在不同工作状态下飞机和发动机的不同热平衡状态。
发动机的燃油系统、滑油系统、空气系统之间通过换热器进行热量交换。由于涉及的部件众多，目前采用的方式是针对燃油系统、滑油系统、空气系统分别建模，再通过多轮迭代传递边界参数求解。该方法效率低下、精度较低且无法获取固体部件的温度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种发动机整机热管理仿真分析方法、装置及电子设备，通过扩展的流体网络法，将航空发动机的燃油系统、滑油系统、空气系统等在同一个流体网络中建模，对固体部件搭建热网络，使用热桥完成流体系统网络与热网络之间的关联。该方法能显著提高热管理分析效率和精度，且能同时获得流体和固体的温度计算结果。
本发明所采用的技术方案为：发动机整机热管理仿真分析方法，包括以下步骤：
搭建流体网络，其中，所述流体网络包括燃油系统流体网络、滑油系统流体网络和空气系统流体网络，记所述流体网络中的元件为流体元件；
搭建热网络，记所述热网络中的元件为热网络元件；
使用所述热网络将所述燃油系统流体网络、滑油系统流体网络以及空气系统流体网络连接，构成新网络；
求解所述新网络中每一所述流体元件以及热网络元件的对应参数，其中，所述对应参数包括流体元件的压力和质量流量参数以及新热网络元件的热流和温度参数。
作为一种可选的技术方案，所述“求解所述新网络中每一所述流体元件以及热网络元件的对应参数”包括以下步骤：
读取输入信息，在所述新网络中构建元件与节点的关联关系；
设置流体元件的初始压力和质量流量参数；
设置热网络元件的初始温度和热流参数；
遍历步骤：遍历所述新网络中的所有元件，判断元件类型；
方程建立步骤：若为流体元件，则建立流体元件的流动特性方程，若为热网络元件，则建立热网络元件的换热特性方程；
求解步骤：求解所述流动特性方程和换热特性方程的各自方程残差，根据计算结果修正并更新流体元件的压力和质量流量参数，以及修正并更新热网络元件的热流和温度参数；
重复上述遍历步骤、方程建立步骤以及求解步骤，直至所述方程残差小于预定阈值。
作为一种可选的技术方案，所述流动特性方程是根据流体元件的质量流量与各端口压力之间的关系而建立的。
作为一种可选的技术方案，所述换热特性方程是热网络元件的热流与各端口温度之间的关系而建立的。
本发明还公开了发动机整机热管理仿真分析装置，包括：
第一搭建模块，用于搭建流体网络，其中，所述流体网络包括燃油系统流体网络、滑油系统流体网络和空气系统流体网络，记所述流体网络中的元件为流体元件；
第二搭建模块，用于搭建热网络，记所述热网络中的元件为热网络元件；
连接模块，用于使用所述热网络将所述燃油系统流体网络、滑油系统流体网络以及空气系统流体网络连接，构成新网络；
求解模块，用于求解所述新网络中每一所述流体元件以及热网络元件的对应参数，其中，所述对应参数包括流体元件的压力和质量流量参数以及新热网络元件的热流和温度参数。
作为一种可选的技术方案，所述求解模块包括：
读取单元，用于读取输入信息，并在所述新网络中构建元件与节点的关联关系；
第一设置单元，用于设置流体元件的初始压力和质量流量参数；
第二设置单元，用于设置热网络元件的初始温度和热流参数；
遍历单元，用于遍历所述新网络中的所有元件，判断元件类型；
特性方程建立单元，配置为：若为流体元件，则建立流体元件的流动特性方程，若为热网络元件，则建立热网络元件的换热特性方程；
计算单元，用于求解所述流动特性方程和换热特性方程的各自方程残差，根据计算结果修正并更新流体元件的压力和质量流量参数，以及修正并更新热网络元件的热流和温度参数；
循环判定单元，用于判定所述方程残差是否小于预定阈值，若否，则触发所述遍历单元再次遍历。
作为一种可选的技术方案，所述流动特性方程是根据流体元件的质量流量与各端口压力之间的关系而建立的。
作为一种可选的技术方案，所述换热特性方程是热网络元件的热流与各端口温度之间的关系而建立的。
本发明还公开了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；一个或多个存储器；所述一个或多个存储器存储有一个或多个计算机程序，所述一个或多个计算机程序包括指令，当所述指令被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备执行如上述的发动机整机热管理仿真分析方法。
本发明还公开了一种计算机可读介质，包括计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行如上述的发动机整机热管理仿真分析方法。
本发明的有益效果为：本申请通过扩展的流体网络法，将航空发动机的燃油系统、滑油系统、空气系统等在同一个流体网络中建模，对固体部件搭建热网络，使用热桥完成流体系统网络与热网络之间的关联，该方法能显著提高热管理分析效率和精度，且能同时获得流体和固体的温度计算结果，其考虑了航空发动机热管理各个系统的相互作用，使分析更加贴近真实工况，能显著减少各个系统之间数据传递过程的时间花费，提升分析效率超过50%
附图说明
图1是实施例中方法的流程示意图。
图2是求解对应参数的流程示意图。
图3为实施例中装置的架构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地描述，显然，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。
实施例
如图1所示，发动机整机热管理仿真分析方法，包括以下步骤：
搭建流体网络，其中，所述流体网络包括燃油系统流体网络、滑油系统流体网络和空气系统流体网络，记所述流体网络中的元件为流体元件；
搭建热网络，记所述热网络中的元件为热网络元件；
使用所述热网络将所述燃油系统流体网络、滑油系统流体网络以及空气系统流体网络连接，构成新网络；
求解所述新网络中每一所述流体元件以及热网络元件的对应参数，其中，所述对应参数包括流体元件的压力和质量流量参数以及新热网络元件的热流和温度参数。
作为一种可选的实施方式，所述“求解所述新网络中每一所述流体元件以及热网络元件的对应参数”包括以下步骤：
读取输入信息，在所述新网络中构建元件与节点的关联关系；
设置流体元件的初始压力和质量流量参数；
设置热网络元件的初始温度和热流参数；
遍历步骤：遍历所述新网络中的所有元件，判断元件类型；
方程建立步骤：若为流体元件，则建立流体元件的流动特性方程，若为热网络元件，则建立热网络元件的换热特性方程；
求解步骤：求解所述流动特性方程和换热特性方程的各自方程残差，根据计算结果修正并更新流体元件的压力和质量流量参数，以及修正并更新热网络元件的热流和温度参数；
重复上述遍历步骤、方程建立步骤以及求解步骤，直至所述方程残差小于预定阈值。
作为一种可选的实施方式，所述流动特性方程是根据流体元件的质量流量与各端口压力之间的关系而建立的。
作为一种可选的实施方式，所述换热特性方程是热网络元件的热流与各端口温度之间的关系而建立的。
为了更好地理解本申请，下面对上述实施中的方法进行进一步地阐述。
现有的流体网络法将流路划分成流体元件组成的网络，求解网络中流体元件各端口的压力和质量流量。现有的热网络法将固体划分成导热、对流和辐射等元件，求解网络中固体元件各端口的温度和热流。本申请中提出扩展的流体网络法，实现流体网络和固体网络在一个系统中同时求解。该方案用于航空发动机整机热管理，可对热管理涉及的多个物理场同时耦合求解。
本发明的核心步骤如下；
(1)分别搭建燃油系统、滑油系统和空气系统流体网络；
(2)考虑固体的导热、对流和辐射，搭建热网络；
(3)使用热桥将固体与流体系统连接在一起；
(4)设置各个元件各个端口的流量、压力和温度初值；
(5)对于流体网络元件构建质量流量与各端口压力之间的关系，对于固体网络元件构建热流与各端口温度之间的关系；
(6)基于牛顿——拉普森迭代方法求解残差方程组，更新流体网络元件的质量流量和压力，更新固体网络元件的热流和温度；
(7)重复步骤(5)直到每一个元件的残差足够小。
具体地，对一个两端口流体元件的流动特性，可以使用一个方程来描述。方程中重要的参数包含各端口的压力P1、P2和流量m1、m2。
Ff(P1，P2，m1，m2)＝0
在求解过程中，方程未收敛，残差为Fr，f≠0。
对流体元件流动特性方程求偏微分，方程的右端项设置为残差的相反数，得到：
Figure RE-GDA0003270246730000064
对一个两端口的热网络元件的换热特性，可以使用一个方程来描述。方程中重要的参数包含各端口的温度T1、T2和流量Q1、Q2。
Ft(T1，T2，Q1，Q2)＝0
在求解过程中，方程未收敛，残差为Ft，f≠0。
对热网络元件换热特性方程求偏微分，方程的右端项设置为残差的相反数，得到：
Figure RE-GDA0003270246730000071
针对整个系统构建线性方程组，左端项为各个特征方程对待求变量的偏导数，右端项为方程当前的残差。求解得到待求变量的修正量，将修正量乘以松弛因子后更新到待求变量上。经过迭代，当残差低于收敛标准时结束迭代。整个求解过程如图2所示。
如图3所示，本发明还公开了发动机整机热管理仿真分析装置，包括：
第一搭建模块，用于搭建流体网络，其中，所述流体网络包括燃油系统流体网络、滑油系统流体网络和空气系统流体网络，记所述流体网络中的元件为流体元件；
第二搭建模块，用于搭建热网络，记所述热网络中的元件为热网络元件；
连接模块，用于使用所述热网络将所述燃油系统流体网络、滑油系统流体网络以及空气系统流体网络连接，构成新网络；
求解模块，用于求解所述新网络中每一所述流体元件以及热网络元件的对应参数，其中，所述对应参数包括流体元件的压力和质量流量参数以及新热网络元件的热流和温度参数。
作为一种可选的实施方式，所述求解模块包括：
读取单元，用于读取输入信息，并在所述新网络中构建元件与节点的关联关系；
第一设置单元，用于设置流体元件的初始压力和质量流量参数；
第二设置单元，用于设置热网络元件的初始温度和热流参数；
遍历单元，用于遍历所述新网络中的所有元件，判断元件类型；
特性方程建立单元，配置为：若为流体元件，则建立流体元件的流动特性方程，若为热网络元件，则建立热网络元件的换热特性方程；
计算单元，用于求解所述流动特性方程和换热特性方程的各自方程残差，根据计算结果修正并更新流体元件的压力和质量流量参数，以及修正并更新热网络元件的热流和温度参数；
循环判定单元，用于判定所述方程残差是否小于预定阈值，若否，则触发所述遍历单元再次遍历。
作为一种可选的实施方式，所述流动特性方程是根据流体元件的质量流量与各端口压力之间的关系而建立的。
作为一种可选的实施方式，所述换热特性方程是热网络元件的热流与各端口温度之间的关系而建立的。
本发明还公开了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；一个或多个存储器；所述一个或多个存储器存储有一个或多个计算机程序，所述一个或多个计算机程序包括指令，当所述指令被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备执行如上述实施例中的发动机整机热管理仿真分析方法。
本发明还公开了一种计算机可读介质，包括计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行如上述实施例中的发动机整机热管理仿真分析方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置、电子设备和计算机可读介质的具体工作原理过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员可以理解上述各模块可以按照实施例的描述分布于装置中，也可以进行相应变化唯一不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块(单元)。
通过以上的实施例的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施例可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本申请实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在可读介质中或网络上，包括若干指令以使得一台电子设备(可以是个人计算机、服务器、移动终端、或者网络设备等)执行根据本申请实施例的方法。
上述可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(FPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.发动机整机热管理仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
搭建流体网络，其中，所述流体网络包括燃油系统流体网络、滑油系统流体网络和空气系统流体网络，记所述流体网络中的元件为流体元件；
搭建热网络，记所述热网络中的元件为热网络元件；
使用所述热网络将所述燃油系统流体网络、滑油系统流体网络以及空气系统流体网络连接，构成新网络；
求解所述新网络中每一所述流体元件以及热网络元件的对应参数，其中，所述对应参数包括流体元件的压力和质量流量参数以及新热网络元件的热流和温度参数。
2.根据权利要求1所述的发动机整机热管理仿真分析方法，其特征在于，所述“求解所述新网络中每一所述流体元件以及热网络元件的对应参数”包括以下步骤：
读取输入信息，在所述新网络中构建元件与节点的关联关系；
设置流体元件的初始压力和质量流量参数；
设置热网络元件的初始温度和热流参数；
遍历步骤：遍历所述新网络中的所有元件，判断元件类型；
方程建立步骤：若为流体元件，则建立流体元件的流动特性方程，若为热网络元件，则建立热网络元件的换热特性方程；
求解步骤：求解所述流动特性方程和换热特性方程的各自方程残差，根据计算结果修正并更新流体元件的压力和质量流量参数，以及修正并更新热网络元件的热流和温度参数；
重复上述遍历步骤、方程建立步骤以及求解步骤，直至所述方程残差小于预定阈值。
3.根据权利要求2所述的发动机整机热管理仿真分析方法，其特征在于：所述流动特性方程是根据流体元件的质量流量与各端口压力之间的关系而建立的。
4.根据权利要求2所述的发动机整机热管理仿真分析方法，其特征在于：所述换热特性方程是热网络元件的热流与各端口温度之间的关系而建立的。
5.发动机整机热管理仿真分析装置，其特征在于，包括：
第一搭建模块，用于搭建流体网络，其中，所述流体网络包括燃油系统流体网络、滑油系统流体网络和空气系统流体网络，记所述流体网络中的元件为流体元件；
第二搭建模块，用于搭建热网络，记所述热网络中的元件为热网络元件；
连接模块，用于使用所述热网络将所述燃油系统流体网络、滑油系统流体网络以及空气系统流体网络连接，构成新网络；
求解模块，用于求解所述新网络中每一所述流体元件以及热网络元件的对应参数，其中，所述对应参数包括流体元件的压力和质量流量参数以及新热网络元件的热流和温度参数。
6.根据权利要求5所述的发动机整机热管理仿真分析装置，其特征在于，所述求解模块包括：
读取单元，用于读取输入信息，并在所述新网络中构建元件与节点的关联关系；
第一设置单元，用于设置流体元件的初始压力和质量流量参数；
第二设置单元，用于设置热网络元件的初始温度和热流参数；
遍历单元，用于遍历所述新网络中的所有元件，判断元件类型；
特性方程建立单元，配置为：若为流体元件，则建立流体元件的流动特性方程，若为热网络元件，则建立热网络元件的换热特性方程；
计算单元，用于求解所述流动特性方程和换热特性方程的各自方程残差，根据计算结果修正并更新流体元件的压力和质量流量参数，以及修正并更新热网络元件的热流和温度参数；
循环判定单元，用于判定所述方程残差是否小于预定阈值，若否，则触发所述遍历单元再次遍历。
7.根据权利要求6所述的发动机整机热管理仿真分析装置，其特征在于：所述流动特性方程是根据流体元件的质量流量与各端口压力之间的关系而建立的。
8.根据权利要求6所述的发动机整机热管理仿真分析装置，其特征在于：所述换热特性方程是热网络元件的热流与各端口温度之间的关系而建立的。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；一个或多个存储器；所述一个或多个存储器存储有一个或多个计算机程序，所述一个或多个计算机程序包括指令，当所述指令被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备执行如权利要求1至4中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读介质，其特征在于，包括计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行如权利要求1至4中任一项所述的方法。
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