CN116151157B - 一种模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法 - Google Patents

一种模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法 Download PDF

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CN116151157B CN202310436500.9A CN202310436500A CN116151157B CN 116151157 B CN116151157 B CN 116151157B CN 202310436500 A CN202310436500 A CN 202310436500A CN 116151157 B CN116151157 B CN 116151157B
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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Abstract

本申请提供了一种模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法，属于航空进/发匹配技术领域，具体包括：构建发动机网格模型；构建各网格单元带源项的非定常、二维和无粘性的积分欧拉方程组；在方程组中引入彻体力源项反映气体流动的黏性影响，计算方程组中的源项；在压缩部件的特性单元中施加左支特性，获取发动机喘振后各网格单元气流参数随时间的动态演化过程；对各特性单元的方程组进行迭代计算；获取发动机喘振时进口锤击波特性，构建进气道全三维非定常仿真与计算分析，计算获得发动机喘振时进气道内锤击波载荷及进气道内锤击波载荷的传播演化规律。通过本申请的处理方案，提高获取锤击波载荷在进气道内发展与传播演化规律的精确度。

Description

一种模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法
技术领域
本申请涉及航空进/发匹配技术的领域，尤其是涉及一种模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法。
背景技术
飞行器在大机动飞行、大迎角起飞、武器发射、飞跃火灾区时或其它未知工况时可能使发动机发生喘振，而发动机喘振实质是一种飞行器推进系统内大尺度气流来回振荡现象，长时间喘振可能会引起结构完整性问题，严重影响飞行安全。喘振时，伴随着压缩系统能量的释放，将会产生一股强大的逆流而上的冲击波（锤击波）直接作用在进气道部件上，这种冲击波载荷对进气道结构构成了严重威胁。
针对喘振锤击波对于进气道影响，现有通常是采用试验统计以及模型计算的方法。在60-70年代研究设计先进超音速飞机（F-111/YF-16）时，就意识到进气道与发动机之间逆向动态流动影响的重要性，特别是对于飞行包线范围较大的飞机。早期预测发动机进口超压通常采用理论模型预测方法，Mays等基于可变面积进气道与压缩系统，建立了一维非定常无粘流动的动力学模型，研究了压气机喘振等大振幅瞬变过程及其对压气机/进气道流场的影响。随后，开展了空中飞行强迫发动机喘振获取锤击波载荷的研究，为新机设计提供基础数据，Nugent J等在F-111A平台上进行飞行测试，通过空中强迫发动机喘振获取了喘振超压随时间的变化情况及其与压气机参数的关联关系。Marshall等以发动机循环参数为函数，建立了一种预测发动机进口截面附近喘振超压值的半经验方法，并利用TF30等发动机试验数据进行了验证。
上述方法所采用的模型为一维模型，不能反应发动机真实喘振参数动态变化，其精度较低，不能获取准确的锤击波载荷；所采用的试验的方法成本较高，且不易获取准确数据，需要花费大量的人力、物力及财力。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法，解决了现有技术中的问题，所采用的模型真实反映了发动机内喘振动态演化过程，有效提高获取锤击波载荷在进气道内发展与传播演化规律的精确度。
本申请提供的一种模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法采用如下的技术方案：
一种模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法，包括：
步骤1，以发动机结构为基础，结合基本假设构建发动机网格模型，发动机网格模型包括若干网格单元；
步骤2，构建各网格单元带源项的非定常、二维和无粘性的积分欧拉方程组；
步骤3，在特性单元的方程组基础上，引入彻体力源项反映气体流动的黏性影响，计算方程组中的源项，获取特性单元进出口气流参数；
步骤4，在压缩部件的特性单元中施加左支特性，获取发动机喘振后各网格单元气流参数随时间的动态演化过程；
步骤5，确定每个计算步的时间间隔，确定每个时间间隔网格单元的参数，对各特性单元的方程组进行迭代计算；
步骤6，获取发动机喘振时进口锤击波特性，构建进气道全三维非定常仿真与计算分析，计算获得发动机喘振时进气道内锤击波载荷及进气道内锤击波载荷的传播演化规律。
可选的，方程组包括：
连续方程：
Figure SMS_1
轴向动量方程：
Figure SMS_2
周向动量方程：
Figure SMS_3
能量方程：
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其中，
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为微元的气体总焓，/>
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为燃烧室提供的热量，/>
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为压气机的功或涡轮的功。
可选的，所述步骤3中，特性单元周向彻体力包括转子叶片力和静子叶片力，叶片力由周向动量变化计算；
转子叶片力计算时相对周向速度差值由特性单元功计算；
静子叶片力由静子进出口周向速度直接计算：
Figure SMS_22
；
其中，
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为单元转子出口相对气流角平均值。
可选的，所述步骤4中，左支特性采用流量函数与状态点参数一一对应的方法描述，状态点参数包括总压比
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、总温比/>
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、静压比/>
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。
可选的，所述步骤4中，压缩部件的全流量特性包括第一区域、第二区域和第三区域，左支特性包括第二区域和第三区域；
第一区域包括堵点到喘点的区域，第一区域通过计算或试验得到；
第二区域包括喘点到奇点区域，第二区域各参数计算公式为：
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，
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Figure SMS_47
为奇点的静压比；
第三区域包括奇点到零流量点区域。
可选的，所述步骤5中，时间间隔网格单元的参数包括气体压力P、静温T、质量流量
Figure SMS_57
和周向的气流流速/>
Figure SMS_58
。
可选的，所述步骤5中，迭代计算的算法采用经典四阶显式龙格库塔时间推进法。
综上所述，本申请包括以下有益技术效果：
本申请提出了一种全新的模拟发动机真实环境下喘振所带来的锤击波载荷，并通过构建进气道模型真实还原锤击波载荷在进气道中发展与传播演化规律，所采用的基于平行压气机模型部件建模方法能真实反映发动机实际工作过程中所遭遇的外部进气条件，首次采用基于彻体力原理的源项处理方法以及考虑过失速特性（左支）的压缩部件特性，可完整还原发动机喘振后的工作特性，建立基于锤击波反压特性的进气道三维非定常仿真模型，最终可精确获取锤击波载荷在进气道内发展与传播演化规律。
本申请方法建模简单，且具有较高的精度，相比于现有的采用基于压比的经验性近似方法，具有更高的工程适用性。相较于采取发动机逼喘试验的方法，成本低廉，可有效避免由于开展试验带来的资源损耗，开展全包线范围内各种复杂工况条件下的锤击波载荷模拟计算，能够极大地降低成本。
通过本申请，国内首次建立了采用发动机非定常模型以及进气道三维非定常的耦合获取锤击波载荷的仿真方法，填补了国内对于锤击波预测与仿真研究方面的空白，可有效推动国内进/发匹配技术的发展。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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为本申请模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本申请实施例提供一种模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法。
为了完成发动机锤击波特性预测与模拟，以多子区平行压气机理论模型为基础，采用部件法（构建压缩部件过失速特性）对发动机进行理论建模，以发动机真实进出口参数（总温、总压以及进气畸变等）作为边界条件，将发动机划分成通用部件单元、压缩部件单元、燃烧室部件单元、涡轮部件单元和喷管部件单元等不同功能控制体，根据对控制体物理参数的分析，建立带彻体力源项的非定常、二维无粘的积分型欧拉方程组，以控制体气体压力P、静温T、质量流量
Figure SMS_59
和周向的气流流速/>
Figure SMS_60
作为基本变量，采用四阶显式龙格-库塔时间推进方法进行求解，获取发动机喘振状态下进口超压数据。以发动机喘振时进口超压作为边界条件，开展以时间推进的进气道全三维特性仿真计算，从而获取锤击波在进气道内载荷分布以及传播演化规律。
如图1所示，一种模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法，包括：
步骤1，以发动机结构为基础，结合基本假设构建发动机网格模型，发动机网格模型包括若干网格单元。
步骤2，构建各网格单元带源项的非定常、二维和无粘性的积分欧拉方程组。
步骤3，在特性单元的方程组基础上，在方程组中引入彻体力源项反映气体流动的黏性影响，计算方程组中的源项，获取特性单元进出口气流参数；其中特性单元包括压缩部件单元、燃烧室部件单元、涡轮部件单元和喷管部件单元。
步骤4，在压缩部件的特性单元中施加左支特性，获取发动机喘振后各网格单元气流参数随时间的动态演化过程。
步骤5，确定每个计算步的时间间隔，确定每个时间间隔网格单元的参数，对各特性单元的方程组进行迭代计算。
步骤6，获取发动机喘振时进口锤击波特性，构建进气道全三维非定常仿真与计算分析，计算获得发动机喘振时进气道内锤击波载荷及进气道内锤击波载荷的传播演化规律。
步骤1具体包括，以多子区平行压气机理论模型为基础，采用部件法（构建压缩部件过失速特性）对发动机进行理论建模，以发动机真实进出口参数（总温、总压以及进气畸变等）作为边界条件，将发动机划分成通用单元、压缩部件、燃烧室单元、涡轮单元和喷管单元等不同功能控制体。在一个实施例中，网格模型的轴向划分为32个计算域，周向由8个扇形区组成。
在一个实施例中，步骤2构建的分欧拉方程组包括：
连续方程：
Figure SMS_61
轴向动量方程：
Figure SMS_62
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Figure SMS_63
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为压气机的功或涡轮的功。
步骤3中，特性单元周向彻体力包括转子叶片力和静子叶片力，叶片力由周向动量变化计算；
转子叶片力计算时相对周向速度差值由特性单元功计算；
静子叶片力由静子进出口周向速度直接计算：
Figure SMS_82
；
其中，
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Figure SMS_94
为单元转子出口相对气流角平均值。
所述步骤4中，在压缩部件的各特性单元中施加左支特性，此处的特性单元指各压缩单元，左支特性采用流量函数与状态点参数一一对应的方法描述，状态点参数包括总压比
Figure SMS_101
、总温比/>
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、静压比/>
Figure SMS_103
。压缩部件的全流量特性包括第一区域、第二区域和第三区域，左支特性包括第二区域和第三区域；
第一区域包括堵点到喘点的区域，第一区域通过计算或试验得到；
第二区域包括喘点到奇点区域，为一个快速下降区，第二区域各参数计算公式为：
Figure SMS_104
，
其中，
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为奇点的总温比，/>
Figure SMS_114
为喘点的静压比，
Figure SMS_107
为奇点的静压比；
第三区域包括奇点到零流量点区域，为一段较平缓的线性区域。
时间间隔网格单元的参数包括气体压力P、静温T、质量流量
Figure SMS_117
和周向的气流流速
Figure SMS_118
。
在一个实施例中，迭代计算的算法采用经典四阶显式龙格库塔时间推进法。具体公式如下：
Figure SMS_119
；
其中：t为时间；
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为时间步长；/>
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为三阶龙格库塔迭代系数，/>
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为四阶龙格库塔迭代系数。
在一个实施例中，选取某混排双轴涡扇发动机进行仿真，得到的发动机物理模型，轴向划分为32个计算域，周向由8个扇形区组成。压缩稳态部件特性采用均匀流特性，风扇相对换算转速涵盖70%～100%范围，高压压气机相对换算转速涵盖60%～100%范围，压缩部件总压比由9.1～26.6变化。
进行发动机模型构建以及计算：输入发动机参数及部件特性、计算初场、引用边界条件、采用经典四阶显式龙格库塔时间推进法求解、判断是否出现轴向负速度；如果是则输出计算结果；如果否，判断是否达到最大迭代步数，如果是，则输出计算结果，如果否，返回应用边界条件并重复之后的步骤。根据不同匹配条件下首发失稳单元轴向速度动态变化过程，可以看出，从零时刻开始，发动机某一功能单元的轴向速度开始波动，随着时间的推进，轴向速度发生突降，最终发动机内部出现了轴向速度降为零甚至倒流的现象，此时认为发动机已经失稳。
根据发动机喘振时进口锤击波计算结果，构建带前机身的进气道三维分析模型，根据进气道锤击波载荷随发动机总压比变化情况，表明锤击波载荷大小与发动机总压比基本呈线性关系。
为了进一步验证该预测方法的有效性，选取了某涡扇发动机进行锤击波载荷特性仿真研究，并将计算结果与其逼喘试验结果进行对比分析。表1为某涡扇发动机的计算状态参数，并且对采用本申请的锤击波载荷计算方法的计算结果与真实试验值结果进行对比，结果相对偏差小于5%。对比某涡扇发动机锤击波计算结果与试验结果可知发动机喘振锤击波与发动机增压比呈线性关系，说明本申请的方法具有较强的工程适用性。
表1 某涡扇发动机计算状态
Figure SMS_127
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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法，其特征在于，包括：
步骤1，以发动机结构为基础，结合基本假设构建发动机网格模型，发动机网格模型包括若干网格单元；
步骤2，构建各网格单元带源项的非定常、二维和无粘性的积分欧拉方程组；
步骤3，在特性单元的方程组基础上，引入彻体力源项反映气体流动的黏性影响，计算方程组中的源项，获取特性单元进出口气流参数；
步骤4，在压缩部件的特性单元中施加左支特性，获取发动机喘振后各网格单元气流参数随时间的动态演化过程；
步骤5，确定每个计算步的时间间隔，确定每个时间间隔网格单元的参数，对各特性单元的方程组进行迭代计算；
步骤6，获取发动机喘振时进口锤击波特性，构建进气道全三维非定常仿真与计算分析，计算获得发动机喘振时进气道内锤击波载荷及进气道内锤击波载荷的传播演化规律；
方程组包括：
连续方程：
Figure QLYQS_1
轴向动量方程：
Figure QLYQS_2
周向动量方程：
Figure QLYQS_3
能量方程：
Figure QLYQS_4
其中，
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为时间,/>
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为压气机的功或涡轮的功。
2.根据权利要求1所述的模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法，其特征在于，所述步骤3中，特性单元周向彻体力包括转子叶片力和静子叶片力，叶片力由周向动量变化计算；
转子叶片力计算时相对周向速度差值由特性单元功计算；
静子叶片力由静子进出口周向速度直接计算：
Figure QLYQS_22
；
其中，
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Figure QLYQS_28
为转子出口的总温，/>
Figure QLYQS_31
为转子进口的总温，/>
Figure QLYQS_36
为轴向的气流流速，/>
Figure QLYQS_23
为转子进出口总温比，/>
Figure QLYQS_30
为单元静子出口绝对气流角平均值，/>
Figure QLYQS_35
为单元转子出口相对气流角平均值。
3.根据权利要求1所述的模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法，其特征在于，所述步骤4中，左支特性采用流量函数与状态点参数一一对应的方法描述，状态点参数包括总压比
Figure QLYQS_41
、总温比/>
Figure QLYQS_42
、静压比/>
Figure QLYQS_43
。
4.根据权利要求3所述的模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法，其特征在于，所述步骤4中，压缩部件的全流量特性包括第一区域、第二区域和第三区域，左支特性包括第二区域和第三区域；
第一区域包括堵点到喘点的区域，第一区域通过计算或试验得到；
第二区域包括喘点到奇点区域，第二区域各参数计算公式为：
Figure QLYQS_44
；
其中，
Figure QLYQS_45
为压缩部件的总压比，/>
Figure QLYQS_51
为压缩部件的总温比，/>
Figure QLYQS_54
为压缩部件的静压比，
Figure QLYQS_47
为奇点的总压比，/>
Figure QLYQS_49
为喘点的总压比，/>
Figure QLYQS_52
为压缩部件的密流，/>
Figure QLYQS_55
为喘点的密流，
Figure QLYQS_46
为奇点的密流，/>
Figure QLYQS_50
为喘点的总温比，/>
Figure QLYQS_53
为奇点的总温比，/>
Figure QLYQS_56
为喘点的静压比，
Figure QLYQS_48
为奇点的静压比；
第三区域包括奇点到零流量点区域。
5.根据权利要求1所述的模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法，其特征在于，所述步骤5中，时间间隔网格单元的参数包括气体压力P、静温T、质量流量
Figure QLYQS_57
和周向的气流流速
Figure QLYQS_58
。
6.根据权利要求5所述的模拟发动机喘振锤击波载荷的计算方法，其特征在于，所述步骤5中，迭代计算的算法采用经典四阶显式龙格库塔时间推进法。
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