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航空发动机气动优化设计技术

作者:Simwe    来源:    发布时间:2013-01-29    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

现代飞机发动机的推力和尺寸越来越大,要完全满足发展要求,仅靠扩大模拟实验设备的规模和尺寸是非常困难的,在某种程度上也可以说是难以办到的,而CFD技术作为一种特殊形式的试验可以替代相当一部分航空发动机模拟试验,降低试验成本,提高试验数据的质量和试验效率,大大缩短航空发动机研制的试验周期。

CFD在发动机设计中的优势

发动机对飞机的性能有着决定性的影响,鉴于发动机研究和发展工作的难度大、耗资多、周期长等特点,CFD技术应运而生,并在近些年飞速发展。CFD技术在发动机中的应用,使得对发动机气动特性的详细研究又向前推进了一步,不仅节省了发动机试车的时间与成本,避免了实际试车的危险,并可以获得全部参数数据,其中包括实际试车时难以测量的参数,还可解决多参数的优化问题。借助CFD软件可实现以下功能。

(1)发动机涡轮、压气机等部件的设计、性能校核和优化改进。通过CFD模拟试验,快速和系统地分析几何形状变化对于设计与非设计点气动性能的影响。此外,还可以针对在发动机整机试车中所获得的数据和现象,进行数值模拟和分析。

(2)部件整合。以往的发动机全尺寸仿真大都是零维的,无法反映发动机内客观存在的多部件与多学科流动特征,与此相对应的流动关系要经过硬件试验才可得到,而此时往往已进行了相当的研制工作,作过了大量的试验,设计上的改变将会造成时间和经费上的巨大浪费。而运用CFD技术,可直接对多个部件的整合模型进行求解,直观地反映出各部件之间流动的干扰及整体的气动特性。

(3)多物理场耦合。发动机内部的物理过程涉及多种学科,对这些过程的准确仿真必然也包括多种学科。传统的分析方法是按学科的不同分类而单独有序地进行,该方法的特点是所耗时间较长且常常由于忽略了学科间的强耦合性而出现误差。目前,CFD分析的对象已由单一的零部件分析拓展到了系统级的装配体的仿真。同时,其分析的领域也已不再仅仅局限于流体力学,现在已经涉及到燃烧学、热力学、多场耦合等更加丰富的物理空间。

综上所述,人们借助计算机对发动机内部的流动进行数值模拟成为可能,CFD方法将在一定程度上取代试验,以达到降低成本、缩短研制周期的目的,并且数值模拟可提供丰富的流场信息,为设计者设计和改进发动机提供依据。

为了适应航空发动机的发展策略,满足航空发动机的发展需求,NUMECA公司凭借雄厚的研发实力和十几年丰富的工程经验,不仅针对航空发动机有相其对应的FINE/Turbo数值模拟分析软件及针对性的主题模块,使数值模拟分析更贴近真实的流动,为发动机设计者提供更详实流场数据;此外,NUMECA公司还拥有一个各方面都空前先进的、具有开创性和高效的三维叶片设计及优化的软件工具FINE/Design3D,该软件采用多目标参数优化方法,用户可以自行定义多个优化目标,同时可以保证几何及机械约束,为设计者对发动机的优化改进提供了一定的依据。

气动优化设计方案

众所周知,航空发动机流场的特点对数值模拟软件的专业性以及计算速度和精度都有非常高的要求。NUMECA采用了行业内最先进、最专业的数值模拟分析及优化设计技术,保证模拟结果的精确性,满足发动机核心部件的流场数值模拟和优化设计分析需求。从国内航空发动机各研究所到国际航空发动机巨擘(GE、RR、Honeywell等),从高等学府到各企事业研究院所均把NUMECA软件作为行业内首选CFD软件。

针对航空发动机的发展研究,NUMECA公司提出了完备的解决方案,包括:初始设计、几何建模与几何特征分析、数值模拟(网格制作、数值求解、多物理场问题分析)、优化设计等,如图1所示。

newmaker.com

 
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