一种模态选择阀与发动机多维度耦合气动性能评估方法技术

本发明专利技术一种模态选择阀与发动机多维度耦合气动性能评估方法，属于航空发动机领域；步骤依次为，建立模态选择阀三维模型；对模型型进行仿真，获得流动性能；建立模态选择阀的计算模型，计算阀门后总压；部件高保真度特性计算模型

【技术实现步骤摘要】
一种模态选择阀与发动机多维度耦合气动性能评估方法


[0001]本专利技术属于航空发动机领域，具体涉及一种模态选择阀与发动机多维度耦合气动性能评估方法。

技术介绍

[0002]变循环发动机的设计目的是，使发动机在亚声速飞行时具有接近大涵道比涡扇发动机的低耗油率和在超声速的飞行条件下又具有大推力、低耗油率的特性，与此同时降低发动机在亚声速飞行时的安装损失，从而使其适配执行多任务类型的飞机的需求。变循环发动机能够实现上述要求，关键在于其具有的多个几何可调的部件，其中一个比较重要的部件就是模态选择阀。该部件通过调整自身阀门角度，合理的分配风扇出口流量，主动的调整涵道比，使其后方的压缩系统始终工作在一个稳定的区间内，使发动机始终维持着良好的飞行性能。
[0003]但是在实际设计过程中，由于发动机各部件传统上的设计与研究工作相对独立，考虑到变循环发动机工况多变，且模态选择阀的开度随着发动机工况变化而大幅度变化，使用传统的设计手段无法在设计之初就将模态选择阀与发动机总体的耦合作用纳入考虑范围，往往需要通过大尺寸等比模型进行反复试验，这会导致发动机的研发成本和周期大幅增加。
[0004]另一方面，虽然计算流体力学为整机高精度气动性能仿真提供了一种手段，但是其计算资源占用大，计算时间周期长，不能够代替传统的基于部件的发动机总体气动性能计算代码，不具有实际的工程应用价值。
[0005]因此有必要建立一种模态选择阀和发动机总体的一体化气动性能评估方法，允许研究者将具有更高维度的模态选择阀模型集成到发动机总体性能计算代码中去,使得设计人员在设计之初就能够考虑到模态选择阀与其他部件、模态选择阀与整机之间的耦合作用，在有限的使用算力情况下获得具有更高精度的发动机性能参数。

技术实现思路

[0006]要解决的技术问题：
[0007]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种模态选择阀与发动机多维度耦合气动性能评估方法，是一种多维度集成的变循环发动机的模态选择阀
‑
总体气动性能一体化评估方法，解决了现有技术中变循环发动机总体性能计算代码计算精度无法满足变循环发动机设计要求，发动机各部件耦合性差，无法考虑模态选择阀与其他部件、模态选择阀与总体耦合效应的问题。
[0008]本专利技术的技术方案是：一种模态选择阀与发动机多维度耦合气动性能评估方法，其特征在于具体步骤如下：
[0009]步骤一：建立考虑双涵道效应的模态选择阀三维模型；
[0010]步骤二：对步骤一所建立的模态选择阀三维模型型进行仿真，获得流动性能；
[0011]步骤三：建立模态选择阀的低维高保真度特性计算模型，计算阀门后总压；
[0012]步骤四：部件高保真度特性计算模型
‑
整机零维模型多维度集成，即将步骤三得到的低维高保真度特性计算模型和零维总体性能计算程序进行耦合；
[0013]步骤五：输入该发动机的设计点性能参数，进行设计点计算；
[0014]步骤六：给定发动机控制规律和发动机非设计点工作状况，进行计算；
[0015]步骤七：判断多维度集成性能计算模型的收敛性；
[0016]步骤八：获得发动机特性图和任意工况下的气动性能，即得到考虑了模态选择阀和发动机总体耦合效应的气动性能结果。
[0017]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤一中，建立模态选择阀三维模型需要考虑到模态选择阀进出口尺寸与所评估的变循环发动机的尺寸适配性，及考虑的真实发动机中对模态选择阀的要求包括：内外涵道的型面能够抑制各个流动状态下出现的流动分离、内外涵道之间的隔板能够减小局部损失、模态选择阀的阀门在各个开度下能够适配其所处的流场，避免造成过大的损失和流动分离的不稳定流动现象。
[0018]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤二中获得流动性能为，模态选择阀处于不同开度S下时，在不同内、外涵道出口静压条件下，进口出口的总压恢复系数σ和流量Wa。
[0019]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤三中，利用步骤二获得的结果，对同一开度S下，不同前后压差下的计算点的σ与Wa进行分段线性插值，获取在该开度下任意一个流量下对应的总压恢复系数：
[0020]σ＝f
S
(Wa)
[0021]其中，f
S
是对应开度下在步骤二中各个计算点得到的σ与Wa之间的的分段线性插值函数；
[0022]在依次建立各个开度下的线性插值后，再建立各个开度之间的特性插值：
[0023][0024]其中，σ
S
是任意开度S、任意流量下对应的总压恢复系数，S
l
和S
h
表示了位于所选择S左右两侧的两个在步骤二中经过计算的开度，σ
l
和σ
h
是在这两个开度和所选流量下插值得到的总压恢复系数；
[0025]至此，给定流量Wa和开度S，在以流量Wa为横坐标，总压恢复系数σ为纵坐标，开度S为等值线的低维高保真度特性计算模型上插值得到对应的总压恢复系数的值，则阀门后总压P
t2
表示为：
[0026]P
t2
＝σP
t1
[0027]其中，P
t1
、P
t2
分别是阀门前后总压；
[0028]再结合阀门后面积A
bypass
得到阀门后气动函数q(λ)的值：
[0029][0030]得到q(λ)后查询气动函数表得到阀门后马赫数Ma以及气动函数τ(λ)、π(λ),则阀门后静压P2和静温T2表示为：
[0031]P2＝π(λ)P
t2
[0032]T2＝τ(λ)T
t
。
[0033]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤四中耦合方法为，通过零维总体性能计算程序将发动机各个部件的进出口截面简化为沿直线排列的点，点和点之间依靠气动函数传递；在零维模型中，模态选择阀的损失计算依靠突阔损失模型进行：
[0034][0035]其中，P
t1
、P
t2
分别是阀门前后总压；ξ表示局部损失系数，按照如下公式计算：
[0036][0037]其中，A1、A2则分别是阀门喉道面积和阀门后面积；
[0038]再将步骤三的计算模型嵌入计算程序中，代替上述的突阔损失模型；当程序开始计算模态选择阀时，上游部件向模态选择阀传递流量、总温和总压和此时阀门开度，依靠步骤三的计算模型插值得到阀门后的总压、总温、以及静参数，所述总温与阀门前保持一致。
[0039]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤五中，发动机的设计点性能参数包括飞行高度、飞行速度、进口换算流量、风扇涵道比、外涵道面积、各部件设计点的效率、压比/压降、温升/温降。
[0040]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤五的计算中，步骤四的多维度集成模型不工作，代码按照设计点所给定的气动性能进行计算。
[0041本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模态选择阀与发动机多维度耦合气动性能评估方法，其特征在于具体步骤如下：步骤一：建立考虑双涵道效应的模态选择阀三维模型；步骤二：对步骤一所建立的模态选择阀三维模型型进行仿真，获得流动性能；步骤三：建立模态选择阀的低维高保真度特性计算模型，计算阀门后总压；步骤四：部件高保真度特性计算模型
‑
整机零维模型多维度集成，即将步骤三得到的低维高保真度特性计算模型和零维总体性能计算程序进行耦合；步骤五：输入该发动机的设计点性能参数，进行设计点计算；步骤六：给定发动机控制规律和发动机非设计点工作状况，进行计算；步骤七：判断多维度集成性能计算模型的收敛性；步骤八：获得发动机特性图和任意工况下的气动性能，即得到考虑了模态选择阀和发动机总体耦合效应的气动性能结果。2.根据权利要求1所述一种模态选择阀与发动机多维度耦合气动性能评估方法，其特征在于：所述步骤一中，建立模态选择阀三维模型需要考虑到模态选择阀进出口尺寸与所评估的变循环发动机的尺寸适配性，及考虑的真实发动机中对模态选择阀的要求包括：内外涵道的型面能够抑制各个流动状态下出现的流动分离、内外涵道之间的隔板能够减小局部损失、模态选择阀的阀门在各个开度下能够适配其所处的流场，避免造成过大的损失和流动分离的不稳定流动现象。3.根据权利要求2所述一种模态选择阀与发动机多维度耦合气动性能评估方法，其特征在于：所述步骤二中获得流动性能为，模态选择阀处于不同开度S下时，在不同内、外涵道出口静压条件下，进口出口的总压恢复系数σ和流量Wa。4.根据权利要求3所述一种模态选择阀与发动机多维度耦合气动性能评估方法，其特征在于：所述步骤三中，利用步骤二获得的结果，对同一开度S下，不同前后压差下的计算点的σ与Wa进行分段线性插值，获取在该开度下任意一个流量下对应的总压恢复系数：σ＝f
S
(Wa)其中，f
S
是对应开度下在步骤二中各个计算点得到的σ与Wa之间的的分段线性插值函数；在依次建立各个开度下的线性插值后，再建立各个开度之间的特性插值：其中，σ
S
是任意开度S、任意流量下对应的总压恢复系数，S
l
和S
h
表示了位于所选择S左右两侧的两个在步骤二中经过计算的开度，σ
l
和σ
h
是在这两个开度和所选流量下插值得到的总压恢复系数；至此，给定流量Wa和开度S，在以流量Wa为横坐标，总压恢复系数σ为纵坐标，开度S为等值线的低维高保真度特性计算模型上插值得到对应的总压恢复系数的值，则阀门后总压P
t2
表示为：P
t2
＝σP
t1
其中，P
t1
、P
t2
分别是阀门前后总压；
再结合阀门后面积...

【专利技术属性】
技术研发人员：王承熙，周莉，王占学，张晓博，史经纬，肖洪，邓文剑，黄盛，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：