本发明专利技术涉及数值模拟技术领域，且公开了一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，包括以下步骤：S1：在三维彻体力程序中对压缩系统建模；S2：二维程序对压气机燃烧室、涡轮和尾喷管建模，模型搭建完成之后，耦合模型二维部分的初始入口截面对应原发动机模型的风扇出口截面，其余截面均与下游截面均保持对应。本发明专利技术使得搭建的二维数值模型可以直接被原来的程序、软件所识别，仿真软件类型不再受到优化工具的限制，不仅减少了两个维度的程序代码的改动量，还大大提高了本技术的泛用性，使得耦合程序在面对航空发动机复杂的进气畸变情况时，对典型工况下的发动机性能和稳定性研究更加高效、精准。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数值模拟，具体为一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法。
技术介绍
1、随着航空发动机设计技术的不断发展，诸如多级压气机进气畸变问题亟待更进一步的研究，而新型技术又层出不穷，但是全部采用全环rans数值模拟技术来进行研究显然并不现实，以二维层面理论为主的工程计算模型，又无法满足这些复杂问题的研究需求。因此能够将三维模型和二维模型有机结合起来的计算方法成为了众多学者目前主要的研究方向。
2、相关技术中，目前为了实现更加合理地利用计算资源、缩短计算时间，普遍采用的方法是将航空发动机各部件分开建模，在需要重点研究的部分利用计算方法搭建高维模型，在可以适当简化的部分利用计算方法搭建低维模型。二维、三维的程序各自运行计算，最后利用isight等仿真分析流程自动化工具完成复杂的仿真分析流程以及自动进行多次分析循环，以此实现对发动机整体的仿真模拟，然而，现有耦合计算的相关技术中存在着诸多难题和不足。主要包括：
3、1.无法实时联算。
4、2.泛用性差。
5、3.改动量大。
技术实现思路
1、(一)解决的技术问题
2、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，以解决相关技术各个程序以及程序中航空发动机各个部件无法实时联算、可使用的仿真软件类型受到优化工具限制、计算时跨维度程序代码改动量大，降低了航空发动机数值模拟的精确性和可靠性等问题。
3、(二)技术方案
4、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
5、一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，包括以下步骤：
6、s1：在三维彻体力程序中对压缩系统建模；
7、s2：二维程序对压气机燃烧室、涡轮和尾喷管建模，模型搭建完成之后，耦合模型二维部分的初始入口截面对应原发动机模型的风扇出口截面，其余截面均与下游截面均保持对应；
8、s3：选定需要评定的发动机工作点作为初场，二维部分的参数同步进行格式化，确定发动机的稳态工作点；
9、s4：cfd或者试验获得进气道出口畸变图谱，bfm确定进口边界条件，不同工况点与畸变情况的输入均由三维彻体力程序完成，并设置一个交接面重要参数的初始值，三维部分的程序输入文件在第一个时间步内根据初始值进行计算；
10、s5：时间推进，三维部分通过输入的边界条件和交接面初始值，按照设定好的时间步长进行时间推进，计算出此时交接面的总温、总压、周向速度；
11、s6：输出交界面总压、总温及轴向速度，对于每一个时间步，在交接面上游，二维发动机模型为三维彻体力提供静压值作为边界条件，即1截面的“出口背压分布”；在交接面下游，三维彻体力模型为二维发动机模型提供总压、总温、周向速度作为其进口边界，即2截面的“入口参数”，之后的每个时间步里二维程序接收三维程序的流动参数，将原本整机风扇出口截面的总温、总压、流量系数等参数作为虚拟风扇单元进口输入参数，将三维计算所得的风扇换算流量转换为二维输入文件进口条件中的无量纲密流，风扇折合转速按照经验另外取值；
12、s7：为了保证跨维度之后的“虚拟风扇”满足功率平衡，在二维整机模型中添加一个文件，用于存储需评定的均匀进气下发动机工作点对应的压缩系统的功，单位为w，计算过程中由二维程序读取，由于涡轮与压气机之间的功平衡是整机计算的关键内容之一，而二维模型原本的风扇作用被剔除，这涉及到发动机具体的控制规律，因此，模型在控制方程中补充了转子动力学方程，如式所示
13、
14、其中，i为转子转动惯量，mt和mc分别表示涡轮和压气机转子的扭矩，式子进一步改写为
15、
16、其中，n为转子转速，lt和lc分别表示涡轮转子输出的功和压气机转子所需的功，ω为转子转动的角速度，t为时间，dω/dt为瞬时角加速度；
17、s8：判断是否收敛或失稳，对于二维部分，根据此时交接面和喷管的边界条件以及输入的功率数值判断计算是否收敛或失稳，若既不失稳又不收敛则向三维部分返回一组交接面静压值，储存于特定的.dat文件中，实时刷新，供三维计算程序在下一个时间步使用，如果失稳或收敛则结束计算，输出结果；
18、s9：停止计算、分析计算结果，上述每一步结果都在.out文件下储存，通过查看二、三维部分失稳时输出的结果，判断失稳发生位置和原因，收敛的输出结果，在经过提取之后，选取关键的数据进行后处理，同时进一步与三维程序的输出相对比，保证结论可靠有效。
19、作为本专利技术再进一步的方案，所述s1中搭建的三维计算模型，基本都是压缩部件，包括风扇、压气机的子午流面数据、叶片叶型数据，几何网格坐标数据，判稳公式和收敛曲线的参数，都储存于各自相对应的.dat文件中。
20、进一步的，所述s1中建模只针对压缩部件的流道部分，机匣及叶片内部不在考虑范围之内。
21、在前述方案的基础上，所述s2中搭建二维部分的发动机各部件计算模型，几何结构建模以及相关参数储存于.dat文件中，各部件特性储存于.prf文件中。
22、进一步的，所述s3中在选定时通过经验总结寻找合适参数，以此进行试算，为三维程序的模型寻找一个稳定的初场。
23、在前述方案的基础上，所述s5中由于交接面上周向速度大小有限，因此认为静压沿半径方向呈均匀分布，此时三维的数据在径向位置是不存在差异的，可以直接被二维程序所读取。
24、作为本专利技术再进一步的方案，所述s6中为了便于监控数据情况，将该组参数分类统一输出到相应文件中，实时更新。
25、进一步的，所述s7中当涡轮输出功与压气机所需功不相等时，压气机、涡轮共同转速将发生改变，二维整机程序中提供了“高、低压转子转速恒定”以及“燃油量、高压压气机出口压力恒定”几种控制规律，由于二维部分的“虚拟风扇”在程序运行中是不消耗功的，当涡轮输出功与风扇、压气机所需功不相等时，压气机、涡轮共同转速将发生改变，调整至功率平衡，为简化整机多维耦合气动计算过程，采用了简单的等转速控制规律。
26、(三)有益效果
27、与现有技术相比，本专利技术提供了一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，具备以下有益效果：
28、1、本专利技术中，引入三维彻体力技术用来模拟叶片叶型对航空发动机内部气流的做功，建立合适的三维压缩部件模型，引入二维多子平行压气机理论对各个关键部件进行建模，建立合适的发动机数值计算模型，同时设置交接面，实现了上下游各个部件数据的实时传递。
29、2、本专利技术中，形成一个简明合理的计算流程，既能捕捉到压缩系统中详细的流动特征，又能在整机环境下研究各部件的相互影响，分析各自的性能，更好地模拟畸变强度等流动特征在发动机中的传递与衰减，使计算资源分配更加合理，保证了极高的计算效率。
30、3、本专利技术中，通过在不同维度软件的交接面之间设置特殊参本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，其特征在于，所述S1中搭建的三维计算模型，基本都是压缩部件，包括风扇、压气机的子午流面数据、叶片叶型数据，几何网格坐标数据，判稳公式和收敛曲线的参数，都储存于各自相对应的.dat文件中。
3.根据权利要求2所述的一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，其特征在于，所述S1中建模只针对压缩部件的流道部分，机匣及叶片内部不在考虑范围之内。
4.根据权利要求1所述的一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，其特征在于，所述S2中搭建二维部分的发动机各部件计算模型，几何结构建模以及相关参数储存于.dat文件中，各部件特性储存于.prf文件中。
5.根据权利要求1所述的一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，其特征在于，所述S3中在选定时通过经验总结寻找合适参数，以此进行试算，为三维程序的模型寻找一个稳定的初场。
6.根据权利要求1所述的一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，其特征在于，所述S5中由于交接面上周向速度大小有限，因此认为静压沿半径方向呈均匀分布，此时三维的数据在径向位置是不存在差异的，可以直接被二维程序所读取。
7.根据权利要求1所述的一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，其特征在于，所述S6中为了便于监控数据情况，将该组参数分类统一输出到相应文件中，实时更新。
8.根据权利要求1所述的一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，其特征在于，所述S7中当涡轮输出功与压气机所需功不相等时，压气机、涡轮共同转速将发生改变，二维整机程序中提供了“高、低压转子转速恒定”以及“燃油量、高压压气机出口压力恒定”几种控制规律，由于二维部分的“虚拟风扇”在程序运行中是不消耗功的，当涡轮输出功与风扇、压气机所需功不相等时，压气机、涡轮共同转速将发生改变，调整至功率平衡，为简化整机多维耦合气动计算过程，采用了简单的等转速控制规律。
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【技术特征摘要】
1.一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，其特征在于，所述s1中搭建的三维计算模型，基本都是压缩部件，包括风扇、压气机的子午流面数据、叶片叶型数据，几何网格坐标数据，判稳公式和收敛曲线的参数，都储存于各自相对应的.dat文件中。
3.根据权利要求2所述的一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，其特征在于，所述s1中建模只针对压缩部件的流道部分，机匣及叶片内部不在考虑范围之内。
4.根据权利要求1所述的一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，其特征在于，所述s2中搭建二维部分的发动机各部件计算模型，几何结构建模以及相关参数储存于.dat文件中，各部件特性储存于.prf文件中。
5.根据权利要求1所述的一种简化多程序跨维度耦合计算流程的数值模拟方法，其特征在于，所述s3中在选定时通过经验总结寻找合适参数，以此进行试算，为三维程序的模...
【专利技术属性】
技术研发人员：屠宝锋，海玉任，郭晋，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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