CN116401975B - 一种进气道出口恶劣流场模拟板设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,属于航空发动机技术领域,所述方法包括:建立标准孔板数据库;对目标图谱进行气动特性分析,根据分析结果,把畸变图谱划分为若干个小区域;通过标准孔板数据库差值,计算每个小区域的孔隙率,根据每个小区域的区域面积、孔隙率及压力梯度分布,确定开孔直径和布孔方式后对每个小区域进行小孔填充;对小孔填充后的分区边界的不规则孔进行替换得到初始模拟板。该方法基于流场阻力特性建立标准孔板数据库,建立起一种高效、高精度、低成本的进气道出口恶劣流场模拟板设计方法。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域,具体涉及一种进气道出口恶劣流场模拟板设计方法。
背景技术
自从六十年代后期进气道/发动机(进/发)匹配问题引发国际关注以来,各国对发动机进口流场畸变模拟研究越发重视。由于进气道和发动机联合试验所需成本过高,各种进气畸变模拟技术应运而生,通过这些模拟技术可生成与进气道出口畸变效果一致的流场。
关于发动机进口流场模拟装置有多种类型,如模拟网、模拟板、随机频率发生器、插杆插板式模拟器等。不同类型的畸变装置各有其特点,但模拟板简单、实用,板后气流的涡流大,能量耗散较慢,即可以模拟稳态周向畸变和动态紊流度,又可以模拟流场分布,因此被广泛采用。
以往模拟板设计主要根据经验和吹风试验不断尝试的方式进行:首先对目标图谱(图14左)进行气动特性分析,详细分析畸变指数、低压区范围、环面压力分布等特性;根据分析结果,选择一条等压线,把整个图谱分为高压区和低压区,然后把高压区部分作为流通区域去掉(图14中),低压区部分保留,即得初始模拟板;开展初始模拟板吹风试验,把试验结果与目标图谱对比分析,根据分析结果,对初始模拟板进行打孔,反复修改,得到最终模拟板(图14右)。
当前通过试验不断尝试的方式进行模拟板设计,是一种一维的设计方式,修改及试验轮次较多,周期长、成本高。并且,这种方式设计的模拟板仅能模拟畸变指数和低压区范围,对环面压力分布及其流谱模拟不充分,设计精度较差。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的目的在于提供一种高效、高精度、低成本的进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,为进/发匹配研究提供技术支撑。
为了实现上述目的,本发明提供了如下技术方案,一种进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,所述方法包括:
建立标准孔板数据库;
对目标图谱进行气动特性分析,根据分析结果,把畸变图谱划分为若干个小区域;
通过标准孔板数据库差值,计算每个小区域的孔隙率,根据每个小区域的区域面积、孔隙率及压力梯度分布,确定开孔直径和布孔方式后对每个小区域进行小孔填充;
对小孔填充后的分区边界的不规则孔进行替换得到初始模拟板。
本发明所提供的进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,还具有这样的特征,所述建立标准孔板数据库包括:选择不同孔隙率的孔板作为标准孔板,通过对不同孔隙率的标准孔板进行吹风试验和仿真计算,分析试验结果与仿真结果,建立标准孔板数据库。
本发明所提供的进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,还具有这样的特征,所述标准孔板数据库中孔板的总压损失σ为:
σ= f(Ma, ψ)
其中,Ma为来流马赫数,ψ为孔隙率。
本发明所提供的进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,还具有这样的特征,所述对目标图谱进行气动特性分析包括目标图谱综合畸变指数分析、低压区范围分析以及环面压力分布分析。
本发明所提供的进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,还具有这样的特征,所述把畸变图谱划分为若干个流谱相对简单的小区域包括以总压恢复系数等值线把畸变图谱划分为若干个小区域。
本发明所提供的进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,还具有这样的特征,所述对小孔填充后的分区边界的不规则孔进行替换包括:用等面积的圆孔对分区边界的不规则孔进行替换。
本发明所提供的进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,还具有这样的特征,所述方法还包括:对初始模拟板进行仿真计算和吹风试验,根据仿真及吹风结果与目标图谱进行对比分析后对打孔方式进行调整,得到进气道出口恶劣流场模拟板。
有益效果:
本发明所提供的进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,基于流场阻力特性建立标准孔板数据库,建立起一种高效、高精度、低成本的进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,该方法可直接应用于不同类型的进气道/发动机相容性考核试验,应用所建立的标准孔板数据库,在发动机PFRT和QT阶段鉴定进气道/发动机匹配相容性;解决了发动机与飞机进气道的布局优化问题;确定了发动机稳态和过渡态时的稳定工作能力,结合插板试验结果,评定了发动机在飞行使用中需用稳定裕度,分析了发动机空中停车的可能概率;根据飞机进气道提供的数据,优化和确定扩大稳定裕度的参数的最佳匹配。
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为本发明实施例所提供方法的流程图;
图2为本发明实施例的设计思路简图;
图3为本发明实施例中不同开孔方式、组合形式的模拟板示意图;
图4为本发明实施例中所用到的八块不同孔隙率的标准孔板的示意图;
图5为目标图谱压力梯度分布图;
图6为目标图谱等压线图;
图7为目标图谱分区结果;
图8为目标图谱区域3小孔填充示意图;
图9为目标图谱各区域小孔填充结果;
图10为目标图谱不完整孔替换结果;
图11为目标图谱初始模拟板;
图12为目标图谱模拟板;
图13为目标图谱模拟板压力梯度分布图;
图14为现有技术中的模拟板一维设计的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明,但应当说明的是,这些实施方式并非对本发明的限制,本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代,均属于本发明的保护范围之内。
在本发明实施例的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明创造和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明创造的限制。
此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
以某进气道出口恶劣流场模拟板设计为例,详细说明采用本发明进行进气道出口恶劣流场模拟板设计的具体实施方式和工作流程,见图1-图2。
(1)建立“标准孔板”数据库
当气体流过多孔模拟板时,在多孔板下游特定截面(AIP气动界面)上,总压损失σ只与来流马赫数Ma和孔隙率ψ(小孔流通面积与小孔所在多孔板实际面积之比)有关,与孔的直径、分布特征等无关,即
σ= f(Ma, ψ)..............................................(1)
我们研究了各种开孔方式的模拟板,比如四边形、六边形、八边形、圆、月牙形、扇形、扇环形,以及不同组合形式和布孔方式的模拟板(图3),对这些板子进行吹风试验及分析,结果表明“流场阻力特性”理论真实可靠。
基于上述原理,建立标准孔板数据库。
图4和表1给出了用于数据库建设的八块不同孔隙率的“标准孔板”,对这八块板子分别进行了仿真计算和吹风试验,并进行对比分析,拟合出孔隙率一定的情况下,AIP气动界面总压恢复系数随来流马赫数的变化情况,表2为试验结果(部分),表3为CFD仿真结果(部分),为查看方便,将表3分为表3-1和表3-2,两表格均为CFD仿真结果(部分)。
表1八块不同孔隙率的“标准孔板”的参数
表2吹风试验结果(部分)
表3-1 CFD仿真结果(部分)
表3-2CFD仿真结果(部分)
对所有的仿真计算结果和试验数据进行整理,并采用数据库软件对孔隙率、来流马赫数、AIP界面马赫数和AIP界面总压恢复系数σ等数据进行分类存储,以此建立“标准孔板”数据库。在来流马赫数一定时,通过“标准孔板”数据库插值,可得到特定总压损失区域对应的孔隙率,或者特定孔隙率对应的总压损失。
(2)目标图谱分区
对目标图谱进行气动特性分析,详细分析目标图谱综合畸变指数、低压区范围、环面压力分布等特性,根据分析结果,以总压恢复系数等值线把畸变图谱划分为若干个流谱相对简单的小区域,则这些小区域的总压损失已知。
图5和表4给出了某进气道出口恶劣流场,即目标图谱,图5为压力梯度分布图,表4为测点压力。
表4测点压力
首先对该目标图谱进行气动特性(表5)分析,然后绘制等压线图(图6),综合考虑气动特性和压力损失,选择图6中的三条等压线作为分界线,对该目标图谱进行分区,分区结果见图7。目标图谱分成了4个小的区域,其中区域1总压恢复系数为0.92,区域2为0.95,区域3为0.965,区域4为1.0。
表5目标图谱气动特性表
(3)各分区小孔填充
完成了目标图谱分区,对于每一个小的区域,根据其总压损失,通过“标准孔板”数据库插值,得出造成该种损失所需的孔隙率。根据各区域面积、孔隙率及压力梯度分布,确定开孔直径和布孔方式后,即可对该区域进行小孔填充。
根据分区结果,区域4总压恢复系数为1.0,即没有损失,因此该区域全部去除。
根据分区结果,区域3总压恢复系数为0.965。根据目标图谱气动特性分析结果(表5),来流马赫数为0.417。因此,可用利用标准孔板数据库(表2和表3)进行插值,得到来流马赫数为0.417时,总压恢复系数为0.965对应的空隙率为0.621。图8为区域3小孔填充示意图。图8中圆孔半径70,每一行两个圆孔圆心距离为160,正方形圆孔阵列孔隙率为0.621。
采用同样的方法,对区域2和区域1进行小孔填充,填充结果见图9。
(4)边界不完整孔替换,确定初始模拟板
由图9可用看出,分区边界附近,出现了扇形或月牙形的不完整孔,这些不完整孔形状不规则,不好加工且影响模拟板气动特性。对于分区边界附近的不完整孔,用等面积的圆孔替换,图10给出了不完整孔替换结果,即该目标图谱的初始模拟板(图11)。
(5)初始模拟板吹风,确定最终模拟板
对图11所示的初始模拟板进行CFD仿真计算和吹风试验,根据仿真及吹风结果与目标图谱进行对比,详细气动特性参数(表5)包括总压恢复系数、综合畸变指数、紊流度、周向不均匀度和低压区角度等,并对打孔方式进行微调,使得吹风结果(图13)与目标图谱气动特性符合的更好,即可得到该目标图谱的模拟板(图12)。
(6)设计结果分析
表5给出了目标图谱与最终模拟板吹风结果气动特性对比情况,从表5可用看出,AIP总压恢复系数、周向不均匀度、紊流度、综合畸变指数和低压区角度模拟相对偏差均不超过±5%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,其特征在于,所述方法包括:
建立标准孔板数据库;
对目标图谱进行气动特性分析,根据分析结果,把畸变图谱划分为若干个小区域;
通过标准孔板数据库插值,计算每个小区域的孔隙率,根据每个小区域的区域面积、孔隙率及压力梯度分布,确定开孔直径和布孔方式后对每个小区域进行小孔填充;
对小孔填充后的分区边界的不规则孔进行替换得到初始模拟板,
所述建立标准孔板数据库包括:选择不同孔隙率的孔板作为标准孔板,通过对不同孔隙率的标准孔板进行吹风试验和仿真计算,分析试验结果与仿真结果,建立标准孔板数据库,
所述标准孔板数据库中孔板的总压损失σ为:
σ= f(Ma, ψ)
其中,Ma为来流马赫数,ψ为孔隙率。
2.根据权利要求1所述的进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,其特征在于,所述对目标图谱进行气动特性分析包括目标图谱综合畸变指数分析、低压区范围分析以及环面压力分布分析。
3.根据权利要求1所述的进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,其特征在于,所述把畸变图谱划分为若干个小区域包括以总压恢复系数等值线把畸变图谱划分为若干个小区域。
4.根据权利要求1所述的进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,其特征在于,所述对小孔填充后的分区边界的不规则孔进行替换包括:用等面积的圆孔对分区边界的不规则孔进行替换。
5.根据权利要求1所述的进气道出口恶劣流场模拟板设计方法,其特征在于,所述方法还包括:对初始模拟板进行仿真计算和吹风试验,根据仿真及吹风结果与目标图谱进行对比分析后对打孔方式进行调整,得到进气道出口恶劣流场模拟板。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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