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作者: 发布时间:2011-12-18 来源: 繁体版
现代飞机发动机的推力和尺寸越来越大,要完全满足发展要求,仅靠扩大模拟实验设备的规模和尺寸是非常困难的,在某种程度上也可以说是难以办到的,而CFD技术作为一种特殊形式的试验可以替代相当一部分航空发动机模拟试验,
现代飞机发动机的推力和尺寸越来越大,要完全满足发展要求,仅靠扩大模拟实验设备的规模和尺寸是非常困难的,在某种程度上也可以说是难以办到的,而CFD技术作为一种特殊形式的试验可以替代相当一部分航空发动机模拟试验,降低试验成本,提高试验数据的质量和试验效率,大大缩短航空发动机研制的试验周期。8nm自动化在线网
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CFD在发动机设计中的优势8nm自动化在线网
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发动机对飞机的性能有着决定性的影响,鉴于发动机研究和发展工作的难度大、耗资多、周期长等特点,CFD技术应运而生,并在近些年飞速发展。CFD技术在发动机中的应用,使得对发动机气动特性的详细研究又向前推进了一步,不仅节省了发动机试车的时间与成本,避免了实际试车的危险,并可以获得全部参数数据,其中包括实际试车时难以测量的参数,还可解决多参数的优化问题。借助CFD软件可实现以下功能。8nm自动化在线网
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(1)发动机涡轮、压气机等部件的设计、性能校核和优化改进。通过CFD模拟试验,快速和系统地分析几何形状变化对于设计与非设计点气动性能的影响。此外,还可以针对在发动机整机试车中所获得的数据和现象,进行数值模拟和分析。8nm自动化在线网
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(2)部件整合。以往的发动机全尺寸仿真大都是零维的,无法反映发动机内客观存在的多部件与多学科流动特征,与此相对应的流动关系要经过硬件试验才可得到,而此时往往已进行了相当的研制工作,作过了大量的试验,设计上的改变将会造成时间和经费上的巨大浪费。而运用CFD技术,可直接对多个部件的整合模型进行求解,直观地反映出各部件之间流动的干扰及整体的气动特性。8nm自动化在线网
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(3)多物理场耦合。发动机内部的物理过程涉及多种学科,对这些过程的准确仿真必然也包括多种学科。传统的分析方法是按学科的不同分类而单独有序地进行,该方法的特点是所耗时间较长且常常由于忽略了学科间的强耦合性而出现误差。目前,CFD分析的对象已由单一的零部件分析拓展到了系统级的装配体的仿真。同时,其分析的领域也已不再仅仅局限于流体力学,现在已经涉及到燃烧学、热力学、多场耦合等更加丰富的物理空间。 8nm自动化在线网
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综上所述,人们借助计算机对发动机内部的流动进行数值模拟成为可能,CFD方法将在一定程度上取代试验,以达到降低成本、缩短研制周期的目的,并且数值模拟可提供丰富的流场信息,为设计者设计和改进发动机提供依据。8nm自动化在线网
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为了适应航空发动机的发展策略,满足航空发动机的发展需求,NUMECA公司凭借雄厚的研发实力和十几年丰富的工程经验,不仅针对航空发动机有相其对应的FINE/Turbo数值模拟分析软件及针对性的主题模块,使数值模拟分析更贴近真实的流动,为发动机设计者提供更详实流场数据;此外,NUMECA公司还拥有一个各方面都空前先进的、具有开创性和高效的三维叶片设计及优化的软件工具FINE/Design3D,该软件采用多目标参数优化方法,用户可以自行定义多个优化目标,同时可以保证几何及机械约束,为设计者对发动机的优化改进提供了一定的依据。8nm自动化在线网
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气动优化设计方案8nm自动化在线网
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众所周知,航空发动机流场的特点对数值模拟软件的专业性以及计算速度和精度都有非常高的要求。NUMECA采用了行业内最先进、最专业的数值模拟分析及优化设计技术,保证模拟结果的精确性,满足发动机核心部件的流场数值模拟和优化设计分析需求。从国内航空发动机各研究所到国际航空发动机巨擘(GE、RR、Honeywell等),从高等学府到各企事业研究院所均把NUMECA软件作为行业内首选CFD软件。8nm自动化在线网
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针对航空发动机的发展研究,NUMECA公司提出了完备的解决方案,包括:初始设计、几何建模与几何特征分析、数值模拟(网格制作、数值求解、多物理场问题分析)、优化设计等,如图1所示。

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气动优化设计理念8nm自动化在线网
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当今的航空发动机已经具有较好的性能,但其气动性能仍有进一步改进和提高的空间,采用基于先进数学理论的优化手段进行优化设计是行之有效的方法。FINE/Design3D已经被认为是针对航空发动机的最先进的三维叶片设计及优化的软件工具。FINE/Design3D作为三维叶片优化设计的领跑者,通过将叶片参数化造型模块AutoBlade与NUMECA的数值模拟分析软件包 FINE/Turbo进行耦合嵌接的软件包为发动机分析和设计的虚拟网络分析提供了非常快速便捷的途径。作为优化平台本身,带有神经网络、遗传算法以及模拟退火算法的全新的智能优化方法,可以实现多目标、多参数优化功能,用户可以自行定义多个优化目标,同时可以保证几何及机械约束。优化流程如图2所示。8nm自动化在线网

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AutoBlade是通用的压气机和涡轮叶片及通道几何造型工具。几何定义参数通用(压力面/ 吸力面型线或者中弧线/叶片厚度等)并且高度灵活(切向及子午倾斜及掠置等独立控制,多种叶片的三维积叠方式,多分流叶片、圆弧型或多种切割断面形式的进出口边类型等)。嵌接二维及三维的喉部面积及位置计算、转动惯量计算、重心位置、叶片型线曲率以及厚度分布等计算功能。

航空发动机气动优化设计技术
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