一种模态选择阀与发动机多维度耦合气动性能评估方法

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种模态选择阀与发动机多维度耦合气动性能评估方法。

背景技术：

1、变循环发动机的设计目的是，使发动机在亚声速飞行时具有接近大涵道比涡扇发动机的低耗油率和在超声速的飞行条件下又具有大推力、低耗油率的特性，与此同时降低发动机在亚声速飞行时的安装损失，从而使其适配执行多任务类型的飞机的需求。变循环发动机能够实现上述要求，关键在于其具有的多个几何可调的部件，其中一个比较重要的部件就是模态选择阀。该部件通过调整自身阀门角度，合理的分配风扇出口流量，主动的调整涵道比，使其后方的压缩系统始终工作在一个稳定的区间内，使发动机始终维持着良好的飞行性能。

2、但是在实际设计过程中，由于发动机各部件传统上的设计与研究工作相对独立，考虑到变循环发动机工况多变，且模态选择阀的开度随着发动机工况变化而大幅度变化，使用传统的设计手段无法在设计之初就将模态选择阀与发动机总体的耦合作用纳入考虑范围，往往需要通过大尺寸等比模型进行反复试验，这会导致发动机的研发成本和周期大幅增加。

3、另一方面，虽然计算流体力学为整机高精度气动性能仿真提供了一种手段，但是其计算资源占用大，计算时间周期长，不能够代替传统的基于部件的发动机总体气动性能计算代码，不具有实际的工程应用价值。

4、因此有必要建立一种模态选择阀和发动机总体的一体化气动性能评估方法，允许研究者将具有更高维度的模态选择阀模型集成到发动机总体性能计算代码中去,使得设计人员在设计之初就能够考虑到模态选择阀与其他部件、模态选择阀与整机之间的耦合作用，在有限的使用算力情况下获得具有更高精度的发动机性能参数。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种模态选择阀与发动机多维度耦合气动性能评估方法，是一种多维度集成的变循环发动机的模态选择阀-总体气动性能一体化评估方法，解决了现有技术中变循环发动机总体性能计算代码计算精度无法满足变循环发动机设计要求，发动机各部件耦合性差，无法考虑模态选择阀与其他部件、模态选择阀与总体耦合效应的问题。

3、本发明的技术方案是：一种模态选择阀与发动机多维度耦合气动性能评估方法，其特征在于具体步骤如下：

4、步骤一：建立考虑双涵道效应的模态选择阀三维模型；

5、步骤二：对步骤一所建立的模态选择阀三维模型型进行仿真，获得流动性能；

6、步骤三：建立模态选择阀的低维高保真度特性计算模型，计算阀门后总压；

7、步骤四：部件高保真度特性计算模型-整机零维模型多维度集成，即将步骤三得到的低维高保真度特性计算模型和零维总体性能计算程序进行耦合；

8、步骤五：输入该发动机的设计点性能参数，进行设计点计算；

9、步骤六：给定发动机控制规律和发动机非设计点工作状况，进行计算；

10、步骤七：判断多维度集成性能计算模型的收敛性；

11、步骤八：获得发动机特性图和任意工况下的气动性能，即得到考虑了模态选择阀和发动机总体耦合效应的气动性能结果。

12、本发明的进一步技术方案是：所述步骤一中，建立模态选择阀三维模型需要考虑到模态选择阀进出口尺寸与所评估的变循环发动机的尺寸适配性，及考虑的真实发动机中对模态选择阀的要求包括：内外涵道的型面能够抑制各个流动状态下出现的流动分离、内外涵道之间的隔板能够减小局部损失、模态选择阀的阀门在各个开度下能够适配其所处的流场，避免造成过大的损失和流动分离的不稳定流动现象。

13、本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中获得流动性能为，模态选择阀处于不同开度s下时，在不同内、外涵道出口静压条件下，进口出口的总压恢复系数σ和流量wa。

14、本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中，利用步骤二获得的结果，对同一开度s下，不同前后压差下的计算点的σ与wa进行分段线性插值，获取在该开度下任意一个流量下对应的总压恢复系数：

15、σ＝fs(wa)

16、其中，fs是对应开度下在步骤二中各个计算点得到的σ与wa之间的的分段线性插值函数；

17、在依次建立各个开度下的线性插值后，再建立各个开度之间的特性插值：

18、

19、其中，σs是任意开度s、任意流量下对应的总压恢复系数，sl和sh表示了位于所选择s左右两侧的两个在步骤二中经过计算的开度，σl和σh是在这两个开度和所选流量下插值得到的总压恢复系数；

20、至此，给定流量wa和开度s，在以流量wa为横坐标，总压恢复系数σ为纵坐标，开度s为等值线的低维高保真度特性计算模型上插值得到对应的总压恢复系数的值，则阀门后总压pt2表示为：

21、pt2＝σpt1

22、其中，pt1、pt2分别是阀门前后总压；

23、再结合阀门后面积abypass得到阀门后气动函数q(λ)的值：

24、

25、得到q(λ)后查询气动函数表得到阀门后马赫数ma以及气动函数τ(λ)、π(λ),则阀门后静压p2和静温t2表示为：

26、p2＝π(λ)pt2

27、t2＝τ(λ)tt。

28、本发明的进一步技术方案是：所述步骤四中耦合方法为，通过零维总体性能计算程序将发动机各个部件的进出口截面简化为沿直线排列的点，点和点之间依靠气动函数传递；在零维模型中，模态选择阀的损失计算依靠突阔损失模型进行：

29、

30、其中，pt1、pt2分别是阀门前后总压；ξ表示局部损失系数，按照如下公式计算：

31、

32、其中，a1、a2则分别是阀门喉道面积和阀门后面积；

33、再将步骤三的计算模型嵌入计算程序中，代替上述的突阔损失模型；当程序开始计算模态选择阀时，上游部件向模态选择阀传递流量、总温和总压和此时阀门开度，依靠步骤三的计算模型插值得到阀门后的总压、总温、以及静参数，所述总温与阀门前保持一致。

34、本发明的进一步技术方案是：所述步骤五中，发动机的设计点性能参数包括飞行高度、飞行速度、进口换算流量、风扇涵道比、外涵道面积、各部件设计点的效率、压比/压降、温升/温降。

35、本发明的进一步技术方案是：所述步骤五的计算中，步骤四的多维度集成模型不工作，代码按照设计点所给定的气动性能进行计算。

36、本发明的进一步技术方案是：所述步骤六中，非设计点工作状况包括非设计点的飞行高度，飞行速度，导叶角度及其余各部件特性图；

37、使用多维度集成模型的发动机性能计算模型进行非设计点计算；给定控制规律、迭代变量以及残差变量，确保多维度集成模型进行非设计点计算的共同工作方程封闭；当进行非设计点性能计算时，多维度集成模型需要迭代各部件的变量以满足各部件之间的流量连续、静压平衡以及功率平衡，其中残差变量指的是通过两种方法计算同一变量的差值。

38、本发明的进一步技术方案是：在获得发动机各个部件的参数后，程序采用newton-raphson方法求解发动机共同工作方程组。

39、本发明的进一步技术方案是：所述步骤七中判断过程为，检查此时各个迭代变量的残差，以满足各部件之间的流量连续、静压平衡和功率平衡；不满足要求则返回步骤五，检查发动机设计点给定性能参数是否合理；不合理则需重新给定，随后重新执行步骤五至步骤七；合理，则在其基础上增加微小扰动，随后重新执行步骤五至步骤七；

40、重复上述步骤直到所得迭代变量满足收敛性要求。

41、有益效果

42、本发明的有益效果在于：本发明的多维度集成的变循环发动机模态选择阀-总体气动性能一体化评估方法，可以解决现有技术中变循环发动机总体性能计算代码计算精度无法满足变循环发动机设计要求，发动机各部件耦合性差，无法考虑模态选择阀与其他部件、模态选择阀与总体耦合效应的问题。

43、本方法中步骤三所建立的模态选择阀特性计算模型解决了零维模型的突扩损失模型不能够足够准确的表达模态选择阀完整的工作特性的问题：突扩损失模型建立在低速情况的不可压流动下，而模态选择阀存在流动速度快的工作区间，空气的可压缩性强，压力损失和动压头会存在明显的非线性关系；其次突阔损失模型表达的是阀门前后压差和速度的关系，与主要使用总参数之比、以马赫数为速度评估参数的发动机性能计算程序适配性差；最后突扩损失模型无法考虑到阀门处于堵塞状态下的性能。而步骤三的特性计算模型综合评估了来流速度，喉道面积与阀后压力损失的关系，并考虑与发动机零维模型所调用参数的匹配性。某型模态选择阀按照步骤三所建立的低维特性计算模型示意图如图3所示，由图可知，当阀门处于同一等开度线上时，流量越大，总压恢复系数越小，每一条线的两端分别是近倒流区和堵塞区。与突扩损失模型相比，步骤三建立的特性图能够反映出总压损失和流量之间的非线性关系，也能够表达出msv接近回流和堵塞的工作状态。

44、本方法中所采用的步骤四、步骤五能够解决现有发动机总体性能计算代码计算精度无法满足变循环发动机设计要求，发动机各部件耦合性差，无法考虑模态选择阀与其他部件、模态选择阀与总体耦合效应的问题。零维模型中突阔损失对推力的影响是间接的，外涵气流通过阀门后的压力损失向后传递至后可变面积涵道引射器，影响混合室中的掺混过程，最终造成迭代求解共同工作方程的过程发生改变，产生推力变化。而在多维度耦合模型中，总压损失直接与流量相关联，能够表征模态选择阀-发动机总体之间高度耦合的特性。图7给出了采用两种模型在阀门关闭的过程中发动机推力的变化。由图可知，当阀门开度减小至70％以后后，由于喉道面积缩小，外涵气流速度增加，压缩性得到体现，零维模型逐渐偏离真实工况，发动机推力仍然线性变化；而实际上由于此时阀门工作在可压缩段，流量呈非线性减小，其推力非线性增加。多维度耦合模型则如实反映了发动机推力非线性增加的过程。图8给出了在阀门关闭过程中风扇(阀门上游部件)涵道比的变化过程，可以看到阀门关闭过程中，由于外涵的通流能力下降，使得风扇涵道比减小。但零维模型的涵道比在模态转换的过程中只略微减小；而当阀门工作在非线性区时受到阀门节流产生的阻力和阀门接近堵塞点的影响，阀门节流能力快速增加，因此多维度耦合模型的涵道比急剧下降。因此本方法中所采用的步骤四，步骤五能够满足变循环发动机设计精度要求，解决零维模型中发动机各部件耦合性差，无法考虑模态选择阀与其他部件、模态选择阀与总体耦合效应的问题。