CN116341407A - 一种试车台空气动力学设计方法 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例中提供了一种试车台空气动力学设计方法，包括：建立试车台的计算域模型；设置计算域模型的边界条件；根据计算域模型和边界调节进行模拟计算，得到模拟计算结果；根据模拟计算结果对重点参数进行评估，重点参数包括引射系数、速度畸变指数、定性流量、流阻损失、温度场、回流数据以及自然通风数据中的一种或多种。通过本公开的试车台空气动力学设计方法，多维度多角度、全面覆盖试车台设计中所涉及的空气动力学问题，相比于现有的标准规范、更全面、更详细、更有针对性。
Description
技术领域
本发明涉及试车台空气动力学技术领域，具体涉及一种试车台空气动力学设计方法。
背景技术
在航空发动机试车台的设计过程中，国内最新并且最权威的参考设计标准是GB50454-2020《航空发动机试车台设计标准》，由标准目录可知：其中关于车台的设计的思路主要从以下几个维度体现：工艺，噪声控制，建筑结构，电气，给排水和消防，暖通空调，动力设施等方面综合设计。其中工艺设计部分中提到了空气动力学设计，描述了空气动力学设计中关于压降，平均流速，以及流场保证设施的部分规定。在该规定中虽然提到了压差、流速、引射系数等参数的描述，但是并未提及具体的详细设计思路与具体的设计实现的方法。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供一种试车台空气动力学设计方法，至少部分解决现有技术中存在的问题。
本公开实施例提供了一种试车台空气动力学设计方法，包括：
建立试车台的计算域模型；
设置计算域模型的边界条件；
根据计算域模型和边界调节进行模拟计算，得到模拟计算结果；
根据模拟计算结果对重点参数进行评估，重点参数包括引射系数、速度畸变指数、定性流量、流阻损失、温度场、回流数据以及自然通风数据中的一种或多种。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，计算域模型包括内部分析区域和外部分析区域，内部分析区域为试车台内部的流体流通区域，外部分析区域为试车台的外周环境区域。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，内部分析区域包括试车台的进气口表面到进气消声器、导流板、水平进气消声器、整流栅、通道、引射筒、开孔扩压器、排气消声器以及排气口表面的流体流通区域。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，试车台的长度为L，宽度为W，高度为H，外部分析区域的范围为长度为2L，宽度为6W，高度为2H的区域。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，边界条件包括：试车台进气口的环境压力、发动机进气口的质量流量、发动机排气口的质量流量、试车台排气口的环境压力、试车台壁面参数、整流栅的结构参数、开孔扩压器的结构参数。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，试车台进气口的环境压力为101325pa，试车台排气口的环境压力为101325pa，试车台壁面参数为无滑移绝热固壁，整流栅为多孔介质格栅结构，开孔扩压器为多孔介质结构。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，模拟计算结果包括试车台的质量流动速率和发动机的质量流量速率；根据模拟计算结果，对重点参数进行评估，包括：
根据试车台的质量流动速率和发动机的质量流量速率计算引射系数；
根据引射系数和第一阈值评估引射系数是否符合标准。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，模拟计算结果包括第一截面的最大速度、第一截面的最小速度、第一截面的平均速度，第一截面为试车间内的任一截面；根据模拟计算结果，对重点参数进行评估，包括：
根据第一截面的最大速度、第一截面的最小速度、第一截面的平均速度计算速度畸变指数；
根据速度畸变指数和第二阈值评估速度畸变指数是否符合标准。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，模拟计算结果包括发动机进气口的压力和发动机排气口的压力；根据模拟计算结果，对重点参数进行评估，包括：
根据发动机进气口的压力和发动机排气口的压力计算得到流阻损失；
根据流阻损失和第三阈值评估流阻损失是否符合标准。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，模拟计算结果包括流速云图、温度分布云图；根据模拟计算结果，对重点参数进行评估，包括：
根据流速云图对定性流量进行评估，根据温度分布云图对温度场进行评估。
本公开实施例中的试车台空气动力学设计方法，包括建立试车台的计算域模型；设置计算域模型的边界条件；根据计算域模型和边界调节进行模拟计算，得到模拟计算结果；根据模拟计算结果，对重点参数进行评估，重点参数包括引射系数、速度畸变指数、定性流量、流阻损失、温度场、回流数据以及自然通风数据中的一种或多种。通过本公开的方案，多维度多角度、全面覆盖试车台设计中所涉及的空气动力学问题，相比于现有的标准规范、更全面、更详细、更有针对性。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，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公开的一些实施例，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为本公开实施例提供的一种试车台空气动力学设计方法的流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，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公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开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，在没有背离本公开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。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，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。基于本公开，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公开的基本构想，图式中仅显示与本公开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。
随着国家经济不断的发展，不论在民用还是军工上航空工业都起着举足轻重的作用。航空工业中发动机的研发至关重要，航空发动机试车台是在研发发动机时所需要的重要设备，该系统能够对发动机进行定型、测量重要数据等试验，它能综合分析航空发动机的性能，是否达到其标准。因此在研制航空发动机时拥有一台先进的试车台是非常重要的。
在航空发动机试车台的设计过程中，国内最新并且最权威的参考设计标准是GB50454-2020《航空发动机试车台设计标准》，由标准目录可知：其中关于车台的设计的思路主要从以下几个维度体现：工艺，噪声控制，建筑结构，电气，给排水和消防，暖通空调，动力设施等方面综合设计。其中工艺设计部分中提到了空气动力学设计，描述了空气动力学设计中关于压降，平均流速，以及流场保证设施的部分规定。在该规定中虽然提到了压差、流速、引射系数等参数的描述，但是并未提及具体的详细设计思路与具体的设计实现的方法。例如，试车间的压力降不大于500pa～1000pa，试车台的平均气流速度、不同涵道以及不同通道需不大于10m/s～50m/s，引射系数不小于0.8；流场均匀性要满足试车台要求，但并未提及如何实现；再例如，关于试车台截面尺寸的要求，例如转弯位置设置导流片或者整流装置，也未提及如何设置、设置怎样的导流片和整流装置、具体的实现标准。也就是说，关于发动机试车台空气动力学设计，传统方法提供的参考标准只提供了大概的设计方向，未提及具体的实现方式，并且提到的限定参数有限，不能从多维度，更详细具体的实现试车台的空气动力学设计，且多数参数只在理论层面，对于具体的如何实现的参考意义有限。
为解决上述问题，本公开实施例提供了一种试车台空气动力学设计方法，下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
请参照图1，本公开实施例公开的试车台空气动力学设计方法包括：
S1、建立试车台的计算域模型。
其中，计算域模型的建立采用CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)软件，CFD软件不限于Fluent，Flow Simulation等流场仿真软件。
计算域模型包括内部分析区域和外部分析区域，内部分析区域为试车台内部的流体流通区域，外部分析区域为试车台的外周环境区域。也就是说计算域模型既要模拟试车台的内部流体也要模拟试车台的外部气流流向对试车台的影响。
在一些可选实施例中，内部分析区域包括试车台的进气口表面到进气消声器、导流板、水平进气消声器、整流栅、通道、引射筒、开孔扩压器、排气消声器以及排气口表面的流体流通区域。
在一些可选实施例中，试车台的长度为L，宽度为W，高度为H，外部分析区域的范围为长度为2L，宽度为6W，高度为2H的区域。也就是说，为外部分析区域的范围在长度方向上是试车台的两倍，在宽度方向上是试车台的六倍，在高度方向上是试车台的两倍。示例性的，外部分析区域选取长度方向150m～200m，宽度方向50m～100m，高度方向50m～80m的空间范围作为外部分析区域。具体的，外部分析区域为长度为180m，宽度为80m，高度为60m的空间区域。
S2、设置计算域模型的边界条件。
边界条件就是求解区域边界上所求解的变量或其导数随时间和地点的变化规律，换句话说，就是试车台的工作参数设置。具体的，边界条件可以包括：试车台进气口的环境压力、发动机进气口的质量流量、发动机排气口的质量流量、试车台排气口的环境压力、试车台壁面参数、整流栅的结构参数、开孔扩压器的结构参数。其中，试车台进气口的环境压力一般为101325pa。发动机进气口的质量流量即单位时间内通过发动机进气口的流体的流体质量，该参数根据实际发动机飞行工况设置。发动机排气口的质量流量即单位时间内通过发动机排气口的流体的流体质量，该参数也根据实际发动机飞行工况设置。试车台排气口的环境压力一般为101325pa。试车台壁面采用无滑移绝热固壁边界条件。整流栅是使气流平衡的设备，整流栅包括一组交错排列的导流叶片，使流体通过导流叶片平稳有序地通过，减少气流对其他结构的扰动，同时减少气流由于转向而带来的压力损失。本公开中整流栅可设置为多孔介质格栅结构。开孔扩压器是利用通流截面积的不同，将速度能转化为压力能，本公开中开孔扩压器可以设置为多孔介质结构。
S3、根据计算域模型和边界调节进行模拟计算，得到模拟计算结果。
模拟计算的基础是求解三维可压缩湍流边界层的偏微分方程组，它是在流动基本方程的控制下进行的流场数值模拟，以得到流场内各位置上基本物理量的分布，以及随时间的变化情况。模拟计算可以由求解器完成。
示例性的，模拟计算包括对湍流模型的计算，湍流模型的选取对流场及温度场的准确性影响很大，示例性的，本公开采用标准湍流模型的修正方程Realizable k-ε，该修正方程具有良好的收敛性，适用范围广，精度合理。
求解器采用有限体积法对控制方程进行离散，由于有限体积法是通过离散守恒方程的积分形式来获得离散化方程的,所以能保证得到的离散化方程是守恒性的。控制方程求解应用压力修正法，SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations，压力耦合方程组的半隐式方法)算法。其中，控制方程包括流体力学的三大基本方程：连续方程、动量方程和能量方程。
S4、根据模拟计算结果对重点参数进行评估，重点参数包括引射系数、速度畸变指数、定性流量、流阻损失、温度场、回流数据以及自然通风数据中的一种或多种。
在步骤S3中，经过模拟计算后，根据得到的计算模拟结果对试车台的重点参数进行计算，然后根据相应的标准对各个重点参数进行评估，进而指导设计产品。
在一些可选实施例中，模拟计算结果包括试车台的质量流动速率和发动机的质量流量速率；S4包括：
S401、根据试车台的质量流动速率和发动机的质量流量速率计算引射系数。
S402、根据引射系数和第一阈值评估引射系数是否符合标准。
引射系数是一项标准，用于评估整个试车台的流量，喷射系数的定义如下：
其中ER为引射系数，mcell为试车台的质量流动速率，mengine为发动机的质量流量速率。可选的，第一阈值为80％。发动机试车时，引射系数在80％或者更高，有助于发动机成功试车，避免形成涡流。
示例性的，经过模拟计算，得到发动机A的发动机的质量流量速率为554.4kg/s，试车台的质量流动速率为1601kg/s，那么计算的到的引射系数为189％；发动机B的发动机的质量流量速率为1220kg/s，试车台的质量流动速率为2360kg/s，那么计算的到的引射系数为93％。由此可见，引射系数均大于80％，满足最大型号发动机试车要求。
在一些可选实施例中，模拟计算结果包括第一截面的最大速度、第一截面的最小速度、第一截面的平均速度，第一截面为试车间内的任一截面；S4包括：
S403、根据第一截面的最大速度、第一截面的最小速度、第一截面的平均速度计算速度畸变指数；
S404、根据速度畸变指数和第二阈值评估速度畸变指数是否符合标准。
速度畸变指数是一项指标，用于评估整个试车台的流量。速度畸变指数定义如下：
其中，VDI为速度畸变指数，Vmax为第一截面的最大速度，Vmin为第一截面的最小速度，Vav为第一截面的平均速度。可选的第二阈值为0.35，速度畸变指数为0.35或者更低，速度畸变指数符合标准。
第一截面为试车间内的任一截面，示例性的，第一界面内包括25个测量网点，25个测量网点均匀的分为5行5列。测量网点所在区域的边界为第一截面尺寸的10％，以不必考虑边界层对气流的影响。分别取25个测量网点的速度，得到第一截面的最大速度、第一截面的最小速度、第一截面的平均速度。
示例性的，经过模拟计算得到的发动机A和发动机B对应的2个测量网点的速度以及速度畸变指数如下：
由此可见，速度畸变指数均小于0.35，满足发动机试车要求。
在一些可选实施例中，模拟计算结果包括发动机进气口的压力和发动机排气口的压力；S4包括：
S405、根据发动机进气口的压力和发动机排气口的压力计算得到流阻损失；
S406、根据流阻损失和第三阈值评估流阻损失是否符合标准。
其中，发动机进气口的压力和发动机排气口的压力可以根据发动机进气系统的压力云图和发动机排气系统的压力云图得到。可选的，第三阈值为500pa，流阻损失小于500pa，则符合标准。
示例性的，根据模拟计算得到的发动机A的流阻损失为444.5pa，发动机B的流阻损失为977pa，因此，发动机A的流阻损失符合标准，发动机B的流阻损失不符合标准。
在一些可选实施例中，模拟计算结果包括流速云图、温度分布云图；S4包括：
S407、根据流速云图对定性流量进行评估，根据温度分布云图对温度场进行评估。
其中，根据流速云图对定性流量进行评估，具体包括对流速云图进行分析，确定是否存在任何不利的流动状况，以便确定在发动机入口处是否有涡流吸收的迹象。还可以确定是否有大规模湍流、逆压梯度或不良涡旋活动的任何迹象，有关活动可能不利于发动机试验的成功完成。根据温度分布云图对温度场进行评估，具体包括根据温度分布云图分析确定是否存在局部温度过高的情况。
在一些可选实施例中，S4还包括对回流数据的评估，回流数据评估即根据模型计算结果评估试车间的排期再循环。示例性的，设定外部自然风速为10m/s，并且风向由试车台排气口向试车台进气口方向。
在一些可选实施例中，S4还包括对自然通风数据的评估。由于试车台的进气口和排气口存在高度差，因此试车台的内部温度比外界温度高的情况下，会产生烟囱效应，也就是说试车台内的空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降，造成空气加强对流的现象，从而使得试车台内部产生自然通风效果。
示例性的，设定试车台的进气口和排气口的高度差约为12m。经模拟计算得到在不同试车间内与外界环境温差下的速度如下表所示：
由此可知，在试车间内与外界温度差20℃时的自然通风状态下，试车间内部最大平均风速约为1.87m/s。
本公开实施例中的试车台空气动力学设计方法，包括建立试车台的计算域模型；设置计算域模型的边界条件；根据计算域模型和边界调节进行模拟计算，得到模拟计算结果；根据模拟计算结果，对重点参数进行评估，重点参数包括引射系数、速度畸变指数、定性流量、流阻损失、温度场、回流数据以及自然通风数据中的一种或多种。通过本公开的方案，多维度多角度、全面覆盖试车台设计中所涉及的空气动力学问题，相比于现有的标准规范、更全面、更详细、更有针对性。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种试车台空气动力学设计方法，其特征在于，包括：
建立所述试车台的计算域模型；
设置所述计算域模型的边界条件；
根据所述计算域模型和所述边界调节进行模拟计算，得到模拟计算结果；
根据所述模拟计算结果对重点参数进行评估，所述重点参数包括引射系数、速度畸变指数、定性流量、流阻损失、温度场、回流数据以及自然通风数据中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的试车台空气动力学设计方法，其特征在于，所述计算域模型包括内部分析区域和外部分析区域，所述内部分析区域为所述试车台内部的流体流通区域，所述外部分析区域为所述试车台的外周环境区域。
3.根据权利要求2所述的试车台空气动力学设计方法，其特征在于，所述内部分析区域包括所述试车台的进气口表面到进气消声器、导流板、水平进气消声器、整流栅、通道、引射筒、开孔扩压器、排气消声器以及排气口表面的流体流通区域。
4.根据权利要求2所述的试车台空气动力学设计方法，其特征在于，所述试车台的长度为L，宽度为W，高度为H，所述外部分析区域的范围为长度为2L，宽度为6W，高度为2H的区域。
5.根据权利要求1所述的试车台空气动力学设计方法，其特征在于，边界条件包括：试车台进气口的环境压力、发动机进气口的质量流量、发动机排气口的质量流量、试车台排气口的环境压力、试车台壁面参数、整流栅的结构参数、开孔扩压器的结构参数。
6.根据权利要求5所述的试车台空气动力学设计方法，其特征在于，所述试车台进气口的环境压力为101325pa，所述试车台排气口的环境压力为101325pa，所述试车台壁面参数为无滑移绝热固壁，所述整流栅为多孔介质格栅结构，所述开孔扩压器为多孔介质结构。
7.根据权利要求1所述的试车台空气动力学设计方法，其特征在于，所述模拟计算结果包括试车台的质量流动速率和发动机的质量流量速率；所述根据所述模拟计算结果，对重点参数进行评估，包括：
根据所述试车台的质量流动速率和所述发动机的质量流量速率计算引射系数；
根据所述引射系数和第一阈值评估所述引射系数是否符合标准。
8.根据权利要求1所述的试车台空气动力学设计方法，其特征在于，所述模拟计算结果包括第一截面的最大速度、第一截面的最小速度、第一截面的平均速度，所述第一截面为试车间内的任一截面；所述根据所述模拟计算结果，对重点参数进行评估，包括：
根据所述第一截面的最大速度、所述第一截面的最小速度、所述第一截面的平均速度计算速度畸变指数；
根据所述速度畸变指数和第二阈值评估所述速度畸变指数是否符合标准。
9.根据权利要求1所述的试车台空气动力学设计方法，其特征在于，所述模拟计算结果包括发动机进气口的压力和发动机排气口的压力；所述根据所述模拟计算结果，对重点参数进行评估，包括：
根据所述发动机进气口的压力和所述发动机排气口的压力计算得到流阻损失；
根据所述流阻损失和第三阈值评估所述流阻损失是否符合标准。
10.根据权利要求1所述的试车台空气动力学设计方法，其特征在于，所述模拟计算结果包括流速云图、温度分布云图；所述根据所述模拟计算结果，对重点参数进行评估，包括：
根据所述流速云图对定性流量进行评估，根据所述温度分布云图对温度场进行评估。
Priority Applications (1)
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| CN202310232878.7A CN116341407A (zh) | 2023-03-10 | 2023-03-10 | 一种试车台空气动力学设计方法 |
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| CN (1) | CN116341407A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117195661A (zh) * | 2023-10-13 | 2023-12-08 | 城林科技(上海)有限公司 | 一种大型燃机进气系统的空气动力学设计方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104063552A (zh) * | 2014-07-04 | 2014-09-24 | 上汽通用五菱汽车股份有限公司 | 一种发动机排气歧管热应力分析及结构优化的方法 |
| CN109101765A (zh) * | 2018-09-19 | 2018-12-28 | 西北工业大学 | 一种组合动力飞行器的大包线宽速域推进系统机理建模方法 |
| US20200410147A1 (en) * | 2019-06-28 | 2020-12-31 | Viettel Group | Aerodynamic derivatives calculation method for flight vehicle |
| CN112380795A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-02-19 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 一种基于预置模型库的试车台流场数值仿真系统 |
-
2023
- 2023-03-10 CN CN202310232878.7A patent/CN116341407A/zh active Pending
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