CN114781153A - 一种整机变维度仿真性能仿真流程控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机性能仿真技术领域，提供了一种整机变维度仿真性能仿真流程控制方法。该方法包括：根据零维发动机模型的设计点的相关参数，得到发动机设计点的相关参数，通过零维发动机模型计算得到风扇边界条件；基于风扇出口静压初猜值，获得风扇性能参数和零维发动机模型性能参数；判断风扇性能参数和零维发动机性能参数是否满足平衡关系，若不满足，则继续之后步骤，完成Newton‑Raphson算法迭代，获得发动机变维度仿真模型性能参数。本发明实现了自动调用零维和三维程序和自动相互读取参数，避免了手动调用模型和输入参数的繁琐与低效，保证了控制仿真精度，显著降低变维度仿真模型的计算负担。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机性能仿真技术领域，尤其涉及一种整机变维度仿真性能仿真流程控制方法。
背景技术
先进航空发动机的研究和开发包括气体动力学、热交换、结构力学和其他学科，这也需要对整个发动机和部件进行大量复杂和昂贵的实验。为了节省成本和时间，数值模拟已经成为航空发动机设计领域不可缺少的一部分。随着计算能力的快速发展，仿真技术被广泛用于支持复杂发动机部件建模、性能研究、故障诊断等等。
传统的发动机性能仿真模型分为设计点计算和非设计点计算。设计点计算，给定部件性能、发动机工况、以及控制规律；非设计点计算，部件性能是通过特性图的形式给出，通过求解反映部件匹配工作关系的平衡方程，计算得到各个部件进出口的气体热力参数，最终得到发动机的整机性能。然而，以单轴分排涡扇发动机作为研究对象，基于传统的耦合方法在进行变维度仿真性能仿真流程控制时，存在的不足主要体现在以下几个方面：(1)半耦合方法使用部件高精度模拟计算的特性图来代替发动机性能仿真的通用特性图，参数传递是单向的，很难保证不同精度水平之间的结果收敛，因此仿真精度难以保证；(2)迭代耦合法对部件进行高精度仿真，修改发动机仿真模型中的相关参数，直到仿真结果收敛，在实际仿真中，当工作点远离设计点，高精度部件模型和零维发动机模型的迭代次数急剧增加，导致计算时间和资源的巨大消耗；(3)全耦合方法采用高精度仿真部件模型直接替换零维发动机仿真模型中对应的部件模型，高精度模型直接进入到满足发动机平衡关系的数学迭代算法中，导致计算成本和时间的过度消耗。
因此，在传统的航空发动机设计领域中，整个发动机及其部件之间的弱耦合关系导致设计和测试的往复循环，这大大增加了发动机开发的成本、周期和风险。解决这一问题的一个有希望的途径是开发变维度仿真模型，该模型结合了高精度部件模型和低精度发动机整机模型。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种整机变维度仿真性能仿真流程控制方法，以解决现有技术中整个发动机及其部件之间的弱耦合关系导致设计和测试的往复循环，大大增加了发动机开发的成本、周期和风险的问题。
本发明提供了一种整机变维度仿真性能仿真流程控制方法，包括：
S1根据给定的零维发动机模型的设计点部件性能、发动机工况、以及控制规律，计算得到发动机设计点性能、特征截面面积、部件性能耦合系数，根据给定的所述零维发动机模型的非设计点的发动机工况、以及控制规律，通过所述零维发动机模型计算得到风扇边界条件，其中，风扇边界条件包括转速、进口总温、进口总压和出口静压；
S2基于风扇出口静压初猜值，获得风扇性能参数和零维发动机模型性能参数，其中，风扇性能参数包括风扇流量、增压比和效率；
S2-1基于预先给定的风扇出口静压初猜值，以txt文件的形式自动读取风扇边界条件，自动调用三维风扇模型，获得所述风扇性能参数；
S2-2基于所述风扇性能参数，以txt文件的形式自动读取所述风扇性能参数到所述零维发动机模型中；
S2-3基于所述以txt文件的形式自动读取风扇性能参数，通过给定的所述零维发动机模型的压气机和涡轮匹配工作点以及涡轮前温度的猜值，采用Newton-Raphson算法求解残差；
S2-4基于所述残差，获得残差向量，当所述残差向量满足给定的收敛精度时，所述Newton-Raphson算法迭代结束，获得所述零维发动机模型性能参数，其中，零维发动机模型性能参数包括：风扇出口流量、压气机入口流量和外涵喷管出口流量；S3判断所述风扇性能参数和所述零维发动机性能参数是否满足平衡关系，若满足，则进行S5；否则，继续S4，其中，发动机变维度仿真模型包括主流道的零维发动机模型和三维风扇模型；
S4基于风扇出口静压和所述风扇边界条件，返回至S2；
S5完成所述Newton-Raphson算法迭代，获得发动机变维度仿真模型性能参数，所述Newton-Raphson算法迭代的表达式如下：
其中，V1是容积模块1的体积，a是迭代次数，Δt是时间步长，k是气体绝热指数，R是气体常数；
输出发动机变维度仿真性能参数，仿真计算结束。
进一步地，所述S5中发动机变维度仿真性能参数包括：耗油量和推力。
进一步地，所述S2-3中残差的获得，包括：
在所述Newton-Raphson算法中采用三个字母分别表示三个所述猜值，获得由三个所述猜值构成的向量；
基于三个所述猜值构成的向量和三个匹配方程的残差，获得猜测的函数；
采用Newton-Raphson算法求解所述三个匹配方程，获得三个所述残差；所述残差的表达式如下：
Wg,turbine-W′g,turbine＝z1
A9,de-A9,off＝z2
PWturbine·Em-PWfan-PWcompressor＝z3
其中，Wg,turbine是由涡轮前方部件计算得到的涡轮进口流量,W’g,turbine是由涡轮特性图插值得到的涡轮进口流量，z1是第一个匹配方程的残差；A9,de是由非设计点热力学计算得到的主喷管喉道面积,A9,off是由设计点计算得到的主喷管喉道面积,z2是第二个匹配方程的残差；PWturbine是涡轮的输出功率,Em是低压转子的功率传输效率,PWfan是风扇的压缩所耗功率，PWcompressor是压气机的压缩所耗功率，z3是第三个匹配方程的残差。
进一步地，所述S2-3中所述采用Newton-Raphson算法迭代求解所述残差的三个匹配方程，获得所述残差的计算式如下：
Y(a+1)＝Y(a)-(A(a))-1Z(a)
其中，
Y＝(y1,y2,y3)T
Z＝f(Y)＝(z1,z2,z3)T＝0
其中，Y(a+1)和Y(a)分别表示下一次迭代和本次迭代的由三个猜值形成的向量，，y1、y2、y3表示三个猜值，Z表示残差形成的向量，z1、z2、z3表示三个残差，a表示迭代次数，A表示偏导数矩阵。
进一步地，所述S3中判断风扇和所述零维发动机性能参数是否满足平衡关系的表达式如下：
|ΔWrV1|<0.05％
其中，Wa2,Wa71,和Wa23分别是风扇出口、外涵喷管出口和压气机进口的流量。
进一步地，所述S4，包括：
S4-1基于所述风扇性能参数和所述零维发动机性能参数，获得风扇出口静压和风扇出口静温；
S4-2基于所述风扇出口静压和所述风扇边界条件，返回至S2。
本发明与现有技术相比存在的有益效果是：
1、本发明通过以txt文件的形式自动读取性能参数，实现了航空发动机整机变维度仿真性能仿真流程的自动控制，实现了自动调用零维和三维程序和自动相互读取参数，避免了手动调用模型和输入参数的繁琐与低效；
2、本发明通过部件三维模型仿真部件性能，保证部件性能的仿真精度，实现了在没有部件特性的情况下，完成航空发动机性能仿真，为未来新概念航空发动机设计阶段的部件设计提供更现实的要求；
3、本发明通过容积法和N-R算法满足发动机平衡关系，实现了发动机变维度性能仿真，在保证了控制仿真精度的基础上显著降低变维度仿真模型的计算负担。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明提供的一种整机变维度仿真性能仿真流程控制方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的单轴分排涡扇发动机结构图；
图3是本发明实施例提供的整机变维度仿真性能仿真流程框架图；
图4是本发明实施例提供的发动机风扇的子午几何图；
图5是本发明实施例提供的发动机风扇的三维网格图；
图6是本发明实施例提供的发动机变维度仿真的收敛过程。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
下面将结合附图详细说明根据本发明的一种整机变维度仿真性能仿真流程控制方法。
图1是本发明提供的一种整机变维度仿真性能仿真流程控制方法的流程图。
如图1所示，该方法包括：
S1，根据给定的零维发动机模型的设计点部件性能、发动机工况、以及控制规律，计算得到发动机设计点性能、特征截面面积、部件性能耦合系数，根据给定的零维发动机模型的非设计点的发动机工况、以及控制规律，通过零维发动机模型计算得到风扇边界条件，其中，风扇边界条件包括转速、进口总温、进口总压和出口静压。
其中，零维发动机模型包括单轴分排涡扇发动机的零维发动机模型。
S2基于风扇出口静压初猜值，获得风扇性能参数和零维发动机模型性能参数，其中，风扇性能参数包括风扇流量、增压比和效率；
S2包括：
S2-1基于预先给定的风扇出口静压初猜值，以txt文件的形式自动读取风扇边界条件，自动调用三维风扇模型，获得风扇性能参数。
本发明通过以txt文件的形式自动读取性能参数，避免了手动调用模型和输入参数的繁琐与低效。
S2-2基于风扇性能参数，以txt文件的形式自动读取风扇性能参数到零维发动机模型中。
本发明自动读取风扇性能参数到零维发动机模型，实现了自动调用零维和三维程序和自动相互读取参数。
S2-3基于所述以txt文件的形式自动读取风扇性能参数，通过给定的所述零维发动机模型的压气机和涡轮匹配工作点以及涡轮前温度的猜值，采用Newton-Raphson算法求解残差；
S2-3中残差的获得，包括：
在Newton-Raphson算法中采用三个字母分别表示三个猜值，获得由三个猜值构成的向量；
基于三个猜值构成的向量和三个匹配方程的残差，获得猜测的函数；
采用Newton-Raphson算法求解三个匹配方程，获得三个残差；残差的表达式如下：
Wg,turbine-W′g,turbine＝z1
A9,de-A9,off＝z2
PWturbine·Em-PWfan-PWcompressor＝z3
其中，Wg,turbine是由涡轮前方部件计算得到的涡轮进口流量,W’g,turbine是由涡轮特性图插值得到的涡轮进口流量，z1是第一个匹配方程的残差；A9,de是由非设计点热力学计算得到的主喷管喉道面积,A9,off是由设计点计算得到的主喷管喉道面积,z2是第二个匹配方程的残差；PWturbine是涡轮的输出功率,Em是低压转子的功率传输效率,PWfan是风扇的压缩所耗功率，PWcompressor是压气机的压缩所耗功率，z3是第三个匹配方程的残差。
S2-3中采用Newton-Raphson算法迭代求解残差的三个匹配方程，获得残差的计算式如下：
Y(a+1)＝Y(a)-(A(a))-1Z(a)
其中，
Y＝(y1,y2,y3)T
Z＝f(Y)＝(z1,z2,z3)T＝0
其中，Y(a+1)和Y(a)分别表示下一次迭代和本次迭代的由三个猜值形成的向量，，y1、y2、y3表示三个猜值，Z表示残差形成的向量，z1、z2、z3表示三个残差，a表示迭代次数，A表示偏导数矩阵。
S2-4基于残差，获得残差向量，当残差向量满足给定的收敛精度时，Newton-Raphson算法迭代结束，获得零维发动机模型性能参数，其中，零维发动机模型性能参数包括：风扇出口流量、压气机入口流量和外涵喷管出口流量。
S3判断风扇性能参数和零维发动机性能参数是否满足平衡关系，若满足，则进行S5，；否则，继续S4。其中，发动机变维度仿真模型包括主流道的零维发动机模型和三维风扇模型；
S3中判断风扇和零维发动机性能参数是否满足平衡关系的表达式如下：
|ΔWrV1|<0.05％
其中，Wa2,Wa71,和Wa23分别是风扇出口、外涵喷管出口和压气机进口的流量。
图2是本发明提供的整机变维度仿真性能仿真流程框架图。
S4基于风扇出口静压和风扇边界条件，返回至S2，
S4，包括：
S4-1基于风扇性能参数和零维发动机性能参数，获得风扇出口静压和风扇出口静温；
S4-2基于风扇出口静压和风扇边界条件，返回至S2。
S5完成Newton-Raphson算法迭代，获得发动机变维度仿真模型性能参数，Newton-Raphson算法迭代的表达式如下：
其中，V1是容积模块1的体积，a是迭代次数，Δt是时间步长，k是气体绝热指数，R是气体常数；
输出发动机变维度仿真性能参数，仿真计算结束。
S5中发动机变维度仿真性能参数包括：耗油量和推力。
实施例1
图2是本发明实施例提供的单轴分排涡扇发动机结构图。
图3是本发明实施例提供的整机变维度仿真性能仿真流程框架图。
第一步：输入发动机工况参数、部件性能、以及控制规律进行设计点计算，确定发动机设计参数以及关键截面面积如表1所示。
表1.发动机设计参数
图4是本发明实施例提供的发动机风扇的子午几何图。
图5是本发明实施例提供的发动机风扇的三维网格图。
第二步：通过发动机主流道零维模型计算得到风扇三维模型的边界条件，包括风扇转速、进口总温、进口总压，并初步给出风扇出口静压猜值，如表2所示。
表2.风扇三维模型边界条件
第三步：以txt文件的形式自动将风扇的边界条件参数输入到风扇的三维模型中，并自动调用风扇三维模型，计算得到第一次迭代过程中的风扇性能参数，包括风扇流量，增压比和效率，并以txt文件的形式自动将风扇性能参数输入到发动机主流道零维模型中。
第四步：利用N-R算法(公式(4)-(7))求解三个非线性方程(公式(1)-(3))，迭代过程结束，则满足涡轮流量守恒，主喷管流量连续和转子功率平衡关系。再利用公式(8)判断风扇出口和压气机入口、外涵喷管出口的流量是否满足平衡关系，即|ΔWrV1|<0.05％，如果满足，计算结束，输出发动机变维度仿真性能；如果不满足，转入步骤五。
图6是本发明实施例提供的发动机变维度仿真的收敛过程。
第五步：利用公式(9)计算得到风扇出口静压和零维模型计算得到的风扇转速，进口总温总压，转入步骤二，再次自动调用三维风扇模型，自动计算风扇性能参数，输入到零维模型中，完成N-R算法迭代，直至满足约束条件，即可得到发动机变维度仿真性能。发动机变维度仿真具体的收敛过程如图6所示，满足收敛条件后得到的风扇和发动机性能参数如表3所示。
表3.发动机变维度仿真性能参数
本发明通过以txt文件的形式自动读取性能参数，实现了航空发动机整机变维度仿真性能仿真流程的自动控制，实现了自动调用零维和三维程序和自动相互读取参数，避免了手动调用模型和输入参数的繁琐与低效；本发明通过部件三维模型仿真部件性能，保证部件性能的仿真精度，实现了在没有部件特性的情况下，完成航空发动机性能仿真，为未来新概念航空发动机设计阶段的部件设计提供更现实的要求；本发明通过容积法和N-R算法满足发动机平衡关系，实现了发动机变维度性能仿真，保证了在控制仿真精度的基础上显著降低变维度仿真模型的计算负担。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本申请的可选实施例，在此不再一一赘述。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种整机变维度仿真性能仿真流程控制方法，其特征在于，包括：
S1根据给定的零维发动机模型的设计点部件性能、发动机工况、以及控制规律，计算得到发动机设计点性能、特征截面面积、部件性能耦合系数，根据给定的所述零维发动机模型的非设计点的发动机工况、以及控制规律，通过所述零维发动机模型计算得到风扇边界条件，其中，风扇边界条件包括转速、进口总温、进口总压和出口静压；
S2基于风扇出口静压初猜值，获得风扇性能参数和零维发动机模型性能参数，其中，风扇性能参数包括风扇流量、增压比和效率；
S2-1基于预先给定的风扇出口静压初猜值，以txt文件的形式自动读取风扇边界条件，自动调用三维风扇模型，获得所述风扇性能参数；
S2-2基于所述风扇性能参数，以txt文件的形式自动读取所述风扇性能参数到所述零维发动机模型中；
S2-3基于所述以txt文件的形式自动读取风扇性能参数，通过给定的所述零维发动机模型的压气机和涡轮匹配工作点以及涡轮前温度的猜值，采用Newton-Raphson算法求解残差；
S2-4基于所述残差，获得残差向量，当所述残差向量满足给定的收敛精度时，所述Newton-Raphson算法迭代结束，获得所述零维发动机模型性能参数，其中，零维发动机模型性能参数包括：风扇出口流量、压气机入口流量和外涵喷管出口流量；
S3判断所述风扇性能参数和所述零维发动机性能参数是否满足平衡关系，若满足，则进行S5；否则，继续S4，其中，发动机变维度仿真模型包括主流道的零维发动机模型和三维风扇模型；
S4基于风扇出口静压和所述风扇边界条件，返回至S2；
S5完成所述Newton-Raphson算法迭代，获得发动机变维度仿真模型性能参数，所述Newton-Raphson算法迭代的表达式如下：
其中，V1是容积模块1的体积，a是迭代次数，Δt是时间步长，k是气体绝热指数，R是气体常数；
输出发动机变维度仿真性能参数，仿真计算结束。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S5中发动机变维度仿真性能参数包括：耗油量和推力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2-3中残差的获得，包括：
在所述Newton-Raphson算法中采用三个字母分别表示三个所述猜值，获得由三个所述猜值构成的向量；
基于三个所述猜值构成的向量和三个匹配方程的残差，获得猜测的函数；
采用Newton-Raphson算法求解所述三个匹配方程，获得三个所述残差；所述残差的表达式如下：
Wg,turbine-W′g,turbine＝z1
A9,de-A9,off＝z2
PWturbine·Em-PWfan-PWcompressor＝z3
其中，Wg,turbine是由涡轮前方部件计算得到的涡轮进口流量,W’g,turbine是由涡轮特性图插值得到的涡轮进口流量，z1是第一个匹配方程的残差；A9,de是由非设计点热力学计算得到的主喷管喉道面积,A9,off是由设计点计算得到的主喷管喉道面积,z2是第二个匹配方程的残差；PWturbine是涡轮的输出功率,Em是低压转子的功率传输效率,PWfan是风扇的压缩所耗功率，PWcompressor是压气机的压缩所耗功率，z3是第三个匹配方程的残差。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2-3中所述采用Newton-Raphson算法迭代求解所述残差的三个匹配方程，获得所述残差的计算式如下：
Y(a+1)＝Y(a)-(A(a))-1Z(a)
其中，
Y＝(y1,y2,y3)T
Z＝f(Y)＝(z1,z2,z3)T＝0
其中，Y(a+1)和Y(a)分别表示下一次迭代和本次迭代的由三个猜值形成的向量，y1、y2、y3表示三个猜值，Z表示残差形成的向量，z1、z2、z3表示三个残差，a表示迭代次数，A表示偏导数矩阵。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中判断风扇和所述零维发动机性能参数是否满足平衡关系的表达式如下：
|ΔWrV1|<0.05％
其中，Wa2,Wa71,和Wa23分别是风扇出口、外涵喷管出口和压气机进口的流量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4，包括：
S4-1基于所述风扇性能参数和所述零维发动机性能参数，获得风扇出口静压和风扇出口静温，S4-2基于所述风扇出口静压和所述风扇边界条件，返回至S2。
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