航空发动机非稳态及流固耦合复杂空气系统模拟方法研究

【类型】学位论文

【作者】侯升平 

【关键词】 空气系统 数值模拟 非稳态 一体化 网络法

【摘要】航空发动机空气系统是由从压气机适当位置抽取空气，通过发动机主流道的内侧或外侧各种流动结构元件（孔、管道、封严环和特定结构形成的腔道等）按设计的流路及要求的流动参数（压力、温度和流量等）流动并完成规定的各项功能，最后从确定的主流道的若干部位排出与主流汇合或直接泄露到机体外部排入大气的流路串联和并联的网络组成的复杂系统。航空发动机空气系统贯穿于整个发动机，在热端部件的冷却、腔室封严、系统压力调整、叶尖间隙控制、防冰等方面起着极为重要的作用，直接决定着航空发动机能否安全可靠地工作，所以对空气系统的准确预测是非常重要的。国内外对航空发动机空气系统进行了一些研究，形成了一些稳态模拟方法并应用到发动机的设计、评估和改进中，但公布的应用成果很少，而对非稳态空气系统的研究更是处于起步阶段。而航空发动机特别是军用航空发动机往往工作在非稳态过程中，这些非稳态因素主要包括发动机转速和输出功率的变化和发动机飞行高度的变化，这些非稳态因素可能引起主燃气向冷却腔室的倒灌，同时主要冷却部件如燃烧室、涡轮叶片和涡轮盘等就处于冷却空气不断改变温度、压力和流量的环境下，这时空气系统能否提供安全的封严流量和压力同时为这些热端部件提供可靠的冷却，避免短时间的高温造成这些部件的破坏就成为关键问题，因此空气系统的非稳态分析是十分必要的。同时，空气系统与发动机的整机热分析密切相关，发动机的非稳态工作过程使得各部件温度不断变化，造成各个部件的热膨胀发生变化，从而影响组成空气系统各处流通间隙、封严结构特性发生变化，也就改变了发动机内各处冷却空气的流量分布、温度分布和压力分布的变化，这时能否可靠地对高温燃气封严、空气系统从压气机的引气流量变化对发动机性能的影响、机匣与转子配合间隙对发动机性能的影响以及发动机的轴向力变化进行准确预测从而有效地保证发动机安全和提高发动机效率也就成了关键问题，而空气系统及其沿程热端部件组成的庞大系统的流热分析能否为固体应力等的分析提供准确的参数是发动机研制过程中要解决的重要问题。在瞬态变化过程中，由于空气系统与沿程热端部件接触边界的相互影响是时刻进行并变化的，传统的热端部件研究中采用的空气系统计算和局部固体分别计算，在边界传递数据的耦合方法无法准确确定边界条件，特别是对于如此庞大的系统来说这种计算方法数据传输复杂、计算量大且难以保证准确度，显然远远不能满足实际的工程需要，所以针对空气系统特点研究一种适用于工程应用的耦合模拟方法对保证发动机安全和提高发动机性能就显得极为重要。本文对空气冷却系统非稳态模拟方法以及空气系统和沿程高温部件流固一体化模拟方法进行了探索、验证和应用，取得了如下成果： （1）在非稳态空气系统控制方程组的基础上结合微积分、压力残差法、耦合迭代法等处理方法提出了航空发动机空气系统非稳态模拟方法思路； （2）将上述提出的模拟方法编程，并应用到了Flowmaster公司的已经发布的有参考结果的涡轮盘腔模型中进行验证，节点参数最大差别百分比在0.6%内，产生差别的主要原因是Flowmaster模拟过程中应用的阻力系数等计算参数公式无法准确得到，而这些参数的差异对计算结果产生了一定影响； （3）由于空气系统模拟的最终目的是准确预测航空发动机内部空气系统各腔室的参数状态及变化规律，从而保证高温旋转部件得到有效的冷却、防止燃气倒灌、平衡轴向力等，所以在空气系统非稳态模拟方法基础上对空气系统与沿程高温固体部件组成的庞大的流固系统的模拟方法进行进一步探索，提出空气系统与沿程高温部件流固一体化网络模型思路，系统建立了该思路的完整模拟方法并编程实现。 （4）将空气系统模拟方法应用到航空发动机空气系统设计中在特定要求下对待定参数的确定中，能为工程设计提供一定的帮助。 （5）将稳态和非稳态模拟方法应用到航空发动机轴部冷却空气流路系统、涡轮盘腔空气流路系统的预测和评估中，得到了多个稳态工况下的参数预测结果和多个非稳态工况下的参数瞬态变化规律，可以为应力分析、强度计算等提供数据参考。 （6）将航空发动机空气系统与沿程高温部件一体化模拟方法应用到航空发动机涡轮盘及其前后腔的冷却空气系统预测中，并对几类不同的耦合模拟方式进行了研究比较，结果表明：考虑流动结构变化对系统换热特性影响的耦合计算方法与不考虑上述影响的耦合计算方法在涡轮盘径向平均温度预测结果上最大差别百分比达到5.7%，说明考虑流动结构变化对换热的影响是有必要的。

【学位名称】博士

【学位授予单位】北京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】陶智

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