■ 張衡 曾軍 張劍 吳佳玉 王智學(xué)/中國(guó)航發(fā)渦輪院

整機(jī)全三維仿真技術(shù)作為加快航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的數(shù)字引擎，可在虛擬數(shù)字空間實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維性能高精度快速預(yù)測(cè)，解決發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)匹配問(wèn)題，縮短研發(fā)周期、降低研制風(fēng)險(xiǎn)和成本，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)到預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的模式轉(zhuǎn)變，加速航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)進(jìn)程。

傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制采用的是“設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證、修改設(shè)計(jì)、再試驗(yàn)”反復(fù)迭代的串行研制模式，特別是整機(jī)性能更是需要通過(guò)大量的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，這將導(dǎo)致驗(yàn)證周期長(zhǎng)、試驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)高，無(wú)法滿足當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速研制的需求[1-2]。目前，整機(jī)性能評(píng)估方法主要停留在一維階段，各個(gè)部件之間的參數(shù)傳遞精度、維度都比較低，極大地影響了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能參數(shù)的準(zhǔn)確評(píng)估[3]。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維仿真已經(jīng)成為可能，該技術(shù)可預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)條件下的整機(jī)性能、預(yù)估部件之間匹配工作狀態(tài)、指導(dǎo)部件之間一體化設(shè)計(jì)、為部件設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。同時(shí)，整機(jī)仿真工作有助于促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)研發(fā)從一維向三維設(shè)計(jì)發(fā)展，極大地提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)精度和水平，進(jìn)一步完善航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)體系。

研究方案

為快速形成整機(jī)全三維仿真能力，加快推進(jìn)整機(jī)仿真技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)工程研制中的轉(zhuǎn)化運(yùn)用，急需做到提高仿真精度和加快仿真進(jìn)度。為此，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)按照航空發(fā)動(dòng)機(jī)正向研發(fā)的思路，提出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)CFD仿真方法研究方案，如圖1所示。一方面，為提高整機(jī)仿真精度，通過(guò)開(kāi)展整機(jī)復(fù)雜模型建模方法、網(wǎng)格生成技術(shù)、高精度求解算法等方法研究，形成一套適合工程使用的整機(jī)仿真方法與工具；另一方面，為加快仿真進(jìn)度、縮短整機(jī)仿真周期，開(kāi)發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)化的整機(jī)仿真平臺(tái)，優(yōu)化仿真流程、集成核心算法、固化仿真經(jīng)驗(yàn)，最終建立整機(jī)全三維仿真設(shè)計(jì)體系，以支持航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速研制。

關(guān)鍵技術(shù)

整機(jī)全三維仿真關(guān)鍵技術(shù)主要包括高保真模型構(gòu)建技術(shù)、部件交界面數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)、整機(jī)全三維匹配技術(shù)、整機(jī)CFD仿真平臺(tái)集成技術(shù)。為攻克上述關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展了以下6個(gè)方面的研究工作。

高保真幾何建模及網(wǎng)格劃分

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型保真度問(wèn)題，開(kāi)展了整機(jī)高保真幾何模型快速獲取方法研究。為提高模型精度，全方位梳理了發(fā)動(dòng)機(jī)各部件真實(shí)技術(shù)狀態(tài)，例如，風(fēng)扇、壓氣機(jī)可調(diào)導(dǎo)向葉片根尖間隙，渦輪葉片軸向、徑向間隙，可調(diào)噴管喉部面積等，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)模型保真度。掌握了整機(jī)各部件高保真物理模型快速處理方法，葉輪機(jī)部件直接采用定制葉型輸出文件，通過(guò)程序轉(zhuǎn)化輸出標(biāo)準(zhǔn)化的格式。燃燒室、加力燃燒室、噴管等采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件生成三維實(shí)體，并對(duì)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，通過(guò)該方法解決了整機(jī)復(fù)雜模型高保真幾何建模關(guān)鍵技術(shù)，完成了整機(jī)復(fù)雜模型界面劃分及內(nèi)流域模型構(gòu)建。

隨后,開(kāi)展了整機(jī)幾何模型網(wǎng)格快速劃分方法研究。針對(duì)常規(guī)的壓氣機(jī)流道及渦輪流道網(wǎng)格劃分可以采用模板化的全六面體網(wǎng)格劃分工具生成，但針對(duì)部分非常復(fù)雜的幾何模型，如發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道、燃燒室、加力燃燒室及噴管的網(wǎng)格劃分需要采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成工具進(jìn)行劃分。通過(guò)深入研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的分網(wǎng)策略，將幾何結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)分網(wǎng)結(jié)果的影響規(guī)律進(jìn)行提煉和總結(jié)，最后生成自動(dòng)化分網(wǎng)腳本文件，實(shí)現(xiàn)上億級(jí)網(wǎng)格的自動(dòng)化快速劃分。通過(guò)該方法完成了整機(jī)各部件復(fù)雜模型網(wǎng)格劃分，并串裝完成整機(jī)網(wǎng)格模型，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)及局部網(wǎng)格示例

可壓縮流與不可壓縮流高精度耦合仿真

為解決可壓縮流與不可壓縮流耦合仿真問(wèn)題，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪等高速可壓縮流與燃燒室及部件盤(pán)腔等低速不可壓流相互耦合仿真方法進(jìn)行了研究。重點(diǎn)開(kāi)展了燃燒室與渦輪部件耦合求解方法研究。從發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室與渦輪耦合仿真結(jié)果，可以看到主燃燒室核心區(qū)速度很低，屬于不可壓縮流動(dòng)，渦輪導(dǎo)向器區(qū)域?yàn)楦咚俚目蓧嚎s流，通過(guò)多方位對(duì)湍流模型參數(shù)選取及交界面數(shù)據(jù)傳遞參數(shù)的設(shè)定，最終實(shí)現(xiàn)了主燃燒室與渦輪高精度耦合仿真（見(jiàn)圖3），獲取了不可壓縮流與可壓縮流參數(shù)的高精度耦合數(shù)據(jù)傳遞方法。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室與渦輪耦合仿真

高精度氣動(dòng)與燃燒耦合仿真

由于燃燒室或加力燃燒室內(nèi)部存在燃油的霧化、蒸發(fā)、摻混、快速化學(xué)反應(yīng)等多相流流動(dòng)特點(diǎn)，而壓氣機(jī)、渦輪內(nèi)部高速流動(dòng)存在高流動(dòng)曲率、激波尾跡邊界層相互作用、封嚴(yán)流與主流相互摻混現(xiàn)象。因此，燃燒室流動(dòng)模擬和葉輪機(jī)部件內(nèi)流存在非常明顯的差異，需要對(duì)氣動(dòng)與燃燒耦合仿真模型進(jìn)行針對(duì)性研究，從而確保較高的仿真精度。重點(diǎn)需要突破復(fù)雜反應(yīng)流和葉輪機(jī)械高速內(nèi)流高精度仿真模擬技術(shù)，并結(jié)合當(dāng)前模擬仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行考核驗(yàn)證和精度評(píng)判。為此，針對(duì)整機(jī)全加力狀態(tài)全三維仿真存在的燃燒模型精度低的問(wèn)題，對(duì)加力燃燒模型進(jìn)行了改進(jìn)，攻克了加力出口溫度過(guò)高問(wèn)題，并形成了一套具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新化學(xué)反應(yīng)模型，評(píng)估精度提升40%以上。圖4為一型發(fā)動(dòng)機(jī)全加力狀態(tài)下整機(jī)全三維仿真結(jié)果，通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，加力燃燒室出口溫度評(píng)估精度得到大幅提高，并準(zhǔn)確獲取了發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)下的性能參數(shù)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)全加力狀態(tài)高精度氣動(dòng)與燃燒耦合仿真

發(fā)動(dòng)機(jī)主流與空氣系統(tǒng)次流耦合仿真

為了認(rèn)識(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)主流路、容腔流路和盤(pán)腔流路相互干擾作用下的內(nèi)部流動(dòng)特征，精準(zhǔn)評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力、空氣系統(tǒng)流路詳細(xì)分配，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維仿真精度，需開(kāi)展考慮主次流影響的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維仿真研究[4]?？紤]到整機(jī)主次流全三維模型復(fù)雜、網(wǎng)格量大、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，為減小技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，采用由簡(jiǎn)到繁、由易到難的研究方法。首先開(kāi)展了考慮主次流影響的風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪等單部件仿真技術(shù)研究，獲取單部件主次流耦合流動(dòng)規(guī)律及仿真方法，隨后將各部件網(wǎng)格模型進(jìn)行組裝并通過(guò)賦值初場(chǎng)方式進(jìn)行計(jì)算求解，獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維主次流耦合仿真結(jié)果。通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，考慮了主次流耦合的整機(jī)全三維仿真結(jié)果精度更高，同時(shí)還可以精準(zhǔn)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力與整機(jī)空氣系統(tǒng)流量分配，軸向力評(píng)估精度高達(dá)5%，空氣流量分配精度為2%，這為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供了良好的數(shù)據(jù)支撐作用。

整機(jī)仿真精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證整機(jī)仿真精度，提高整機(jī)仿真方法的工程適用性，開(kāi)展了基于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及分析工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整機(jī)全三維仿真方法的校核與精度的驗(yàn)證，發(fā)展一套高精度的整機(jī)性能預(yù)測(cè)方法。圖5為一型小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)CFD仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比，其中pt為總壓、Tt為總溫、W為流量、π為部件膨脹比、F為發(fā)動(dòng)機(jī)推力，SFC為耗油率[5]，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明整機(jī)性能預(yù)測(cè)模型具有較高的評(píng)估精度，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流量偏差為1%以內(nèi)，推力偏差為2%左右。圖6與圖7分別給出了壓氣機(jī)與渦輪出口參數(shù)沿徑向分布與試驗(yàn)對(duì)比曲線，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)三維仿真獲取的徑向參數(shù)分布精度為3%左右，充分表明發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維仿真技術(shù)已達(dá)到了一個(gè)較高的水平，可以直接應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。

圖5 小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

圖6 壓氣機(jī)出口總壓徑向分布

圖7 低壓渦輪出口總溫徑向分布

整機(jī)CFD數(shù)字化仿真及管理平臺(tái)

為提高整機(jī)仿真效率，實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化輸入輸出，搭建了整機(jī)CFD數(shù)字化仿真及管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各部件模型、網(wǎng)格、邊界條件集中統(tǒng)一管理，確保獲取的模型與網(wǎng)格能實(shí)時(shí)隨發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)技術(shù)狀態(tài)更新而自動(dòng)更新。搭建完成的整機(jī)全三維仿真平臺(tái)集成了整機(jī)仿真自動(dòng)化的前后處理模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算模型的邊界條件快速加載與整機(jī)性能參數(shù)的快速獲取，讓仿真耗時(shí)從原有的16周降低到只有4周，大幅提升了仿真效率。

結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整機(jī)性能參數(shù)的快速高精度預(yù)測(cè)，借助整機(jī)仿真，加速了發(fā)動(dòng)機(jī)的研制步伐，縮短了研制周期，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，確保了“設(shè)計(jì)一次到位，試驗(yàn)一次成功”。目前，該方法已通過(guò)多個(gè)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的成功實(shí)踐，指導(dǎo)了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及排故工作，充分驗(yàn)證了創(chuàng)新項(xiàng)目對(duì)加快航空發(fā)動(dòng)研制的重要意義。同時(shí)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)還總結(jié)了項(xiàng)目成果，全方位梳理了整機(jī)仿真流程，搭建了一套完善的數(shù)字化仿真平臺(tái)，總結(jié)出了一系列設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、指南和規(guī)范，為豐富與完善研發(fā)體系建設(shè)提供了有力支撐。