[發(fā)明專利]折流式燃燒室氣動性能的快速虛擬數(shù)值試驗方法

在審

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• 申請日: 2017-11-22
• 公開（公告）號: CN107992655A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發(fā)明（設計）人: 王維明;于錦峰;邵伏永;王大磊;王春雪
• 申請（專利權(quán)）人: 北京動力機械研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 中國兵器工業(yè)集團公司專利中心11011
• 代理人: 王雪芬

技術領域

本發(fā)明涉及小型渦輪發(fā)動機試驗技術領域，具體涉及一種折流式燃燒室氣動性能的快速虛擬數(shù)值試驗方法。

背景技術

獲得渦輪發(fā)動機燃燒室氣動性能主要有兩種方法：一種是使用燃燒室試驗臺的實物試驗直接獲得氣動性能；另一種是使用CFD數(shù)值仿真技術獲得氣動性能。由于后者理論的局限，如不經(jīng)試驗數(shù)據(jù)驗證和修正模型，實用性有限。因此，實物試驗仍然是目前使用的主要方法。

由于采用數(shù)值仿真技術的虛擬數(shù)值試驗方法，可以節(jié)省研制的費用、成本，縮短研制周期，提高研制效率，避免研制風險。所以，在上個世紀八十年代開始興起以CFD仿真技術為手段，開展渦輪發(fā)動機氣動性能的數(shù)值分析與計算的研究，出現(xiàn)了各種自編的或商用的CFD軟件，比如FLUENT、CFX和NUMECA等。但是這些軟件工具通常是作為通用氣動分析計算的解算器提供的，作為專用的氣動性能虛擬數(shù)值試驗系統(tǒng)并不適合，而且使用起來也不方便和便捷。

美國NASA開發(fā)了NPSS系統(tǒng)，整合了航空渦輪發(fā)動機整機、部件和系統(tǒng)的氣動熱力多維度和多尺度計算分析的軟件和研究成果，建立了航空渦輪發(fā)動機的虛擬“數(shù)值試車臺”，可對發(fā)動機部件，甚至整機進行虛擬數(shù)值試驗，獲得發(fā)動機的性能或驗證發(fā)動機的設計。我國雖然也開展了類似的ATPD計劃，但由于基礎薄弱，與國外技術水平有較大的差距，尚未建立起系統(tǒng)的工具軟件和環(huán)境，基礎數(shù)據(jù)庫和模型庫等也極不完善，虛擬數(shù)值試驗技術在小型渦輪發(fā)動機試驗中的應用尚未真正開展，因此，開發(fā)小型渦輪發(fā)動機的關鍵部件(比如燃燒室)的虛擬數(shù)值試驗技術非常必要和緊迫。國外虛擬數(shù)值試驗經(jīng)驗表明：虛擬試驗可以大幅節(jié)省實物試驗量，減少研制費用、降低研制風險。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術問題

本發(fā)明要解決的技術問題是：如何設計一種適用于小型渦輪發(fā)動機的折流式燃燒室氣動性能的快速虛擬數(shù)值試驗方法。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種折流式燃燒室氣動性能的快速虛擬數(shù)值試驗方法，包括以下步驟：

步驟1、進行燃燒室一維氣動模型的分區(qū)及計算截面選取；

步驟2.輸入燃燒室一維氣動模型的幾何參數(shù)和初始條件，包括：燃燒室進口空氣流量、進口空氣總壓、進口空氣總溫、燃油流量、出口總溫和燃燒室燃燒效率；

步驟3.基于步驟2輸入的燃燒室一維氣動模型的幾何參數(shù)和初始條件，計算折流式燃燒室進口狀態(tài)及總體性能參數(shù)，包括：

(a)燃燒室進口氣流速度系數(shù)和速度的計算(公式(1)-(3))；

(b)燃燒室總余氣系數(shù)的計算(公式(4))；

(c)燃燒室容熱強度計算(公式(5))；

(d)燃燒室總流阻系數(shù)計算(公式(6))和總壓恢復系數(shù)估算(公式(11))；

步驟4.基于步驟2輸入的燃燒室一維氣動模型的幾何參數(shù)和初始條件，折流式燃燒室火焰筒空氣流量的分配(公式(12)-(13))；

步驟5.基于步驟2輸入的燃燒室一維氣動模型的幾何參數(shù)和初始條件，折流式燃燒室火焰筒頭部內(nèi)流程參數(shù)計算，包括：

(a)火焰筒頭部內(nèi)總溫的計算(公式(14))；

(b)火焰筒頭部內(nèi)靜壓的計算(公式(15))；

(c)火焰筒頭部內(nèi)靜溫(公式(19))、氣流密度(公式(16))和總壓的計算((公式(20))；

(d)火焰筒頭部內(nèi)第i截面的余氣系數(shù)(公式(13))、氣流速度(公式(17))、速度系數(shù)(公式(18))及射流速度(公式(21))的計算；

步驟6.基于步驟2輸入的燃燒室一維氣動模型的幾何參數(shù)和初始條件，折流式燃燒室火焰筒頭部后流程參數(shù)計算，包括：

(a)頭部后第i截面壁面進氣孔的空氣流量(公式(22))、疊加空氣流量(公式(23))、余氣系數(shù)(公式(25))及射流速度(公式(26))；

(b)頭部后第i截面的總溫(公式(14))、靜溫(公式(19))及氣流密度(公式(28))；

(c)頭部后第i截面的總壓(公式(20))、靜壓(公式(16))、氣流速度(公式(17))及速度系數(shù)(公式(18))的計算，燃燒室總壓恢復系數(shù)的計算(公式(29))；

步驟7.判斷是否頭部后最后計算截面的流量與頭部后第一個計算截面的流量達到了平衡，如果不平衡，轉(zhuǎn)向步驟4，修改空氣流量分配，做循環(huán)計算，否則結(jié)束。

優(yōu)選地，步驟1中，根據(jù)折流式燃燒室火焰筒內(nèi)氣流流動的特點，將燃燒室一維氣動模型分為三個計算域：燃燒室頭部區(qū)域、燃燒室中部區(qū)域和燃燒室出口區(qū)域。