基于多孔介质模型的航空发动机进气总压畸变发生器设计方法

本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种基于多孔介质模型的航空发动机进气总压畸变发生器设计方法。

背景技术：

1、在飞机的任一飞行工况下，其发动机进口来流往往不是均匀的，而是呈现不同的畸变形式，并且不同的畸变形式都会对发动机带来不同的性能衰退甚至是事故隐患。所以为了研究进气畸变对航空发动机的影响，通过实验装置来模拟航空发动机真实工况下的的进气畸变形式和强度，在航空发动机研发过程中必不可少。为了在压气机/发动机进口产生满足试验要求的稳态总压畸变形式，传统的做法是在不同的位置设置不同规格的金属丝网，当气流流过不同规格的金属丝网后，不同位置处气流的总压损失是不同的，因此可以通过调节金属丝网的规格，达到调节总压分布的目的。常用的周向稳态总压畸变发生器一般都采用这种设计方法。但倘若目标图谱的畸变范围很小、强度较高、且同时包含径向和周向畸变，如采用上述传统金属网式畸变发生器的设计形式，则必然要求在较小的范围内，布置规格和形状各不相同的金属丝网。采用这种方法将面临以下问题：1)目前常见的金属丝网都为编织网，将其裁剪成环面形式是非常困难的，特别是当环面宽度较小时，很容易变形和散架，保证不了加工精度；2)为了保证金属丝网裁剪后不散开，需要进行包边处理，但包边的宽度相对于金属丝网环面的宽度而言显然很大，包边产生的流动损失会明显大于金属丝网产生的流动损失，而且相邻环面金属丝网的包边合在一起，会对气流造成更大的堵塞，产生更大的流动损失，从而导致连接处的总压值与设计目标产生很大的偏差；3)为了保证畸变发生器的结构强度，金属丝网式畸变发生器往往需要设计辅助的支架和基网，但是这类附件的存在也必然会对流场产生相应的影响，从而增加了畸变发生器气动设计的难度；4)对于这种形式畸变发生器，目前只能采用试验试凑的方法进行设计，不能采用cfd数值模拟的方法进行初步设计，需要消耗的时间和成本都较大。综合以上分析，在时间和成本有限的情况下采用金属丝网形式的畸变发生器显然是不合适的。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于多孔介质模型的航空发动机进气总压畸变发生器设计方法。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、基于多孔介质模型的航空发动机进气总压畸变发生器设计方法，包括以下步骤：

4、步骤1)，根据畸变发生器与生成畸变图谱的目标截面之间的轴向位置关系，以及目标截面上总压测点的位置分布，进行流场计算域与网格的划分；

5、所述流场计算域包含普通流体计算域和多孔介质计算域，其中，多孔介质计算域为流场控制方程中的动量方程添加源项，以模拟畸变发生器对气流的阻碍作用，尺寸和畸变发生器的设计尺寸相同；普通流体计算域包含目标截面，用于计算不同工况下气流的发展，以得到目标界面的计算图谱，普通流体计算域进口和多孔介质计算域、普通流体计算域出口和目标截面均保持距离，以确保流场的充分发展；

6、所述多孔介质计算域划分成若干子域，并对每个子域分别进行参数设置；子域的划分方式参考目标截面的测点位置，数量大于等于测点数量，以保证目标截面每一个测点的总压都有独立的调控方式；

7、步骤2)，确定每个多孔介质计算域子域的阻力系数，使得流场工况满足设计要求，且每个测点总压数据的计算值均落在其预设目标值的允许偏差带内；

8、步骤3)，通过实验或者多孔板流场数值模拟的方法，结合快速插值以确定每个多孔介质计算域子域阻力系数对应的拥有相同损失特性的畸变板设计参数；

9、步骤4)，将每个多孔介质计算域子域阻力系数对应的拥有相同损失特性的畸变板设计参数代入到畸变发生器内，得到畸变发生器主体；

10、步骤5)，利用cfd数值模拟或者实验测量的方法，验证畸变发生器主体的可靠性，若不满足，则对每个多孔介质计算域子域阻力系数对应的拥有相同损失特性的畸变板设计参数进行微调，跳转执行步骤4)，若满足，则完成设计。

11、作为本发明基于多孔介质模型的航空发动机进气总压畸变发生器设计方法进一步的优化方案，步骤1)中所述多孔介质计算域的模型公式为：

12、

13、式中，si是(i＝x,y,z)多孔介质动量方程的源项，|u|是流体速度大小，du为粘性阻力系数，cu为惯性阻力系数，μ为流体粘性系数，ρ为流体密度，负的动量源项导致多孔介质计算域内的压降，出口与入口的压差与流体的速度或速度的平方成正比。

14、作为本发明基于多孔介质模型的航空发动机进气总压畸变发生器设计方法进一步的优化方案，所述步骤3)中的畸变板设计参数包含孔径和孔间距；

15、流体流过畸变板后产生的总压降与畸变板后气流速度呈二次多项式关系：δp＝a1u+a2u2，式中，δp为流体流过多孔介质的总压降，u流体流速，a1、a2均为拟合系数；由于δn为多孔介质/畸变发生器的厚度，则：

16、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

17、1.通过多孔介质模型，将畸变发生器对来流的阻塞作用简化成了源项，而无需对复杂构型的畸变发生器进行建模与划分网格，大大减少了网格量与计算时间，极大降低了前期设计的迭代成本。

18、2.通过cfd得到的目标损失特性，可以有针对性地进行试验以寻找目标畸变板的设计参数，比起通过试验一点点修改与尝试，极大降低了试验时间与加工成本。同时在不方便进行全尺寸模型试验的条件下，该方法可以只专注于寻找特定的几种畸变发生器设计参数，只需最后将其按照一定设计方式进行排布，进一步降低了成本、提高了每一块试验件的准确度。

19、3.比起将不同的畸变网拼接起来，该设计方法具有更高的强度与使用寿命：只需在一整块加工材料上，按照设计好的多孔介质域分区方式，在每个区域加工不同设计参数的畸变板形式即可。

20、4.该方法的工程适用性强，无需过多分析流场，只需基于目标图谱出发，针对性地设计畸变发生器。

技术特征：

1.基于多孔介质模型的航空发动机进气总压畸变发生器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于多孔介质模型的航空发动机进气总压畸变发生器设计方法，其特征在于，步骤1)中所述多孔介质计算域的模型公式为：

3.根据权利要求2所述的基于多孔介质模型的航空发动机进气总压畸变发生器设计方法，其特征在于，所述步骤3)中的畸变板设计参数包含孔径和孔间距；

技术总结
本发明公开了一种基于多孔介质模型的航空发动机进气总压畸变发生器设计方法，首先对畸变发生器进行流场计算域与网格的划分，流场计算域包含普通流体计算域和多孔介质计算域；然后确定每个多孔介质计算域子域的阻力系数，通过实验或者多孔板流场数值模拟的方法，确定每个多孔介质计算域子域阻力系数对应的拥有相同损失特性的畸变板设计参数；接着将畸变板设计参数代入到畸变发生器内，得到畸变发生器主体；最后验证畸变发生器主体的可靠性，满足则完成设计。本发明解决了只能通过反复试验才能得到特定畸变图谱的高成本难题，且适用性与规律性强，可以针对任一图谱来进行设计，大幅降低了设计成本。

技术研发人员：王志强,许杰,李传鹏,胡骏
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12