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- 航空发动机变比热容热力计算和系统级仿真研究
- 作者： 韦福 来源： 上海交通大学 年份： 2016 文献类型 ： 学位论文 关键词： 系统仿真 航空发动机 模块化建模 变比热容
- 描述： 航空发动机是一种非常复杂的非线性系统。它由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管等部件组成。涉及到流体力学、空气动力学、材料力学、传热学、燃烧、控制、电机等学科。传统设计中，先生产每一部件，然后组装起来并进行测试，再设计……这样一个反复迭代的过程耗费大量资金和宝贵时间。随着计算机技术的发展，计算机仿真已成为航空发动机研究中的得力工具。利用它可以优化设计，提高设计水平，减少试验工作量和发动机的数量，降低成本和研发周期等。 本文利用Modelica语言面向对象、非因果联系和多领域等特点，结合模块化建模仿真的思想，在已有的模块库的基础上，进一步地，建立和完善仿真程序库，同时，通过容积法，在Dymola平台上进行系统级仿真。这样可以避免传统的迭代计算中，方程组线性化难以及高阶计算不易收敛的困难。其中，对压气机和涡轮模块的计算，采用基于典型特性图的缩放方法进行计算，避开直接利用特性图或特性方程进行仿真（前者试验数据难获得，后者是过于依赖样机），对仿真计算结果的分析表明，只要缩放系数不是很大，得到的结果是合理的，而且具有通用性。 此外，为了得到更精确的仿真计算结果，模块数学模型还采用了变比热容的热力计算方法。航空发动机中，工质比热容是温度、压力和组分（燃气）的复杂函数，其中压力对比热容的影响很小。气体经过燃烧室和燃油混合燃烧后，生成的燃气由多种不同性质的物质组成，而且随着余气系数不同，其成分及比例不同，物性也不一样，如果都考虑每种气体的比热容就会给计算带来困难。为了计算方便，将系统的工质分为空气和纯燃气（由燃料与理论空气量完全燃烧而成的）的混合，分别考虑他们的比热容。如果是燃烧室前的模块，比如进气道、压气机等，可把其工质看成燃气为零的混合气体（纯空气）。一般的比热容是按照空气和纯燃气的比热容根据质量分数关系线性组合而成的。然后对每一模块建立变比热容的数学计算模型，同时以单轴涡轮喷气式发动机为算例进行计算仿真，跟用软件Gasturb和定比热计算的结果相比较，证明变比热的计算结果合理性和更接近物理实际以及有推广应用的价值。 最后，利用已有的模块库，对常见的发动机系统，比如涡轮喷气、涡轮轴、涡轮螺浆、涡轮风扇等进行系统建模仿真，并对它们进行设计点和非设计点的热力计算。非设计点仿真计算包括速度特性、高度特性和节流特性的计算，还有过渡工作状态，比如启动、加速、减速、接通加力与断开加力等仿真。从计算结果的分析和与GasTurb的计算相比较中可以看出利用Modelica/Dymola进行建模仿真的方法具有有效性、通用性、合理性、可行性和便捷性等。