航空发动机高性能数值仿真应用
航空发动机数值仿真技术发展与应用
现代国企研究 2016. 10（下）150案 例 AN LI摘要：航空发动机数值仿真技术研究源于国外航空技术发达的国家。
其作用主要是对航空发动机中的各个部分进行模拟，以便能够及时发现其中存在的问题，对航空技术领域的发展起到促进作用。
因此，本文对航空发动机数值仿真技术在国内、外的发展进行的对比分析，并针对其的具体应用情况展开了讨论。
关键词：航空发动机；数值仿真技术；应用一、数值仿真技术的发展（一）国外的发展情况国外对于航空发动机数值仿真技术的研究起步较早，各个航空发达国家为了促进数值仿真技术在航空发动机中的应用，纷纷制定了相应的研究计划。
在这些国家中，以美国的发展研究规模最大，历经三十余年的开发，现已经开发了五代航空发动机数值仿真辅助系统。
该数值仿真系统功能十分强大，其中包括了基于知识的工程、三维多学科发动机设计系统、基于设计的职能数值仿真、数字化的单元制造等多项技术。
对美国航天航空事业的发展，做出了巨大贡献。
同样作为航空航天大国，俄罗斯也针对航空涡轮发动机、燃气轮机等，制定了相关的计划以及数值仿真系统，并为数值仿真技术在航空发动机中的应用，专门开发了一套独立的计算体系。
（二）国内的发展情况我国接触数值仿真技术较晚，初期以引进国外的数值分析软件为主，在自身技术的开发方面存在一定缺陷。
由于我国对航空航天事业的重视程度不断升高，数值仿真技术逐渐被应用于航空发动机之中，并建立了面向国内、外的仿真中心，主要目的在于开展航空发动机数值仿真技术、实验数据库设计等方面的研究，加强国内外数值仿真技术的交流与合作，促进数值仿真技术在未来的发展。
近年来，在国家的大力支持下，我国在航空发动机数值仿真技术领域又取得了许多重大突破，建立了航空发动机数值仿真平台，完善仿真中心。
而且在技术上的突破，也使得我国在航天航空领域拥有了更为广阔的发展空间。
（三）国内外发展的比较分析从目前的情况上来看，我国在数值仿真技术领域不断取得突破与进展。
CFD仿真技术在航空发动机中的应用
CFD仿真技术在航空发动机中的应用摘要：随着科学技术的发展，航空航天和空间技术有了飞跃的发展，在这些飞跃的发展技术中主要的技术就是CAE技术。
航空工业可以说是CAE技术发展的摇篮，各种CAE技术正是在以航空工业为主的实际工业应用的推动下在不到半个世纪时间里迅猛发展起来的。
以ANSYS、LS-DYNA、Nastran、CFX、Fluent等为代表的高端CAE软件早已活跃在全球航空工业中。
关键词：CFD仿真技术；航空发动机；应用1 引言目前国际知名企业的航空发动机研制周期从过去的10～15年缩短到6～8年甚至4～5年，试验机也从过去的40～50台减少到10台左右。
在发达国家的航空企业里CAE已经作为产品研发设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施，在生产实践作为必备工具普遍应用。
2、CFD技术国内外使用状况简介CFD作为CAE技术的一种，已经越来越多的被国内外航空企业广泛的得以应用。
第一个商用CFD软件包FLUENT，由与美国空军合作的流体技术服务公司Creare公司于1983年推出的。
商业CFD软件的开发及应用，加速了航空工业的发展，使得基于虚拟样机仿真的现代设计方法成为了可能。
以波音公司航空研发发展历史为例，不难发现，波音公司先后采用了经典的实验测试方法、半经验的方法、空气动力学的计算、政府内部及企业的CFD代码及广泛的采用CFD商业代码。
在波音公司2005年的软件应用报告中明确指明，在1998至2005年内，其公司每年数值仿真成果的增加量都接近84%左右，采用CAE/CFD的速度超过了工业的成长速度，CFD技术已经成为其设计的主要手段之一。
另外从美国软件公司ANSYS公司的销售业绩报告上显示，航空工业上的应用产值是其公司的主要收益来源之一。
CFD软件正以其强大的优势在研发中发挥的巨大的作用，例如在NISA的报告中提到，原本需要7年完成的维吉尼亚级潜水艇的设计，通过CFD技术的应用，5年就顺利完成；而预计需要11年完成的B-2轰炸机的飞行测试，则在短短的4年内就通过了测试。
航空发动机燃烧室数值仿真技术工程应用分析
随着计算流体力学和燃烧仿真模型的迅速发展，以数值仿真为主的燃烧室设计方法逐步取代以大量试验为主的常规设计方法成为可能，并为以最短的周期和最少的费用设计出高水平的航空发动机燃烧室开辟了新的技术途径。
主燃烧室和加力燃烧室（如图1、图2所示）是航空发动机的重要部件，其燃烧性能的优劣将直接影响航空发动机的整机性能、动力输出和污染排放。
燃烧室的工程研发具有学科集成度高、技术难度大、研发周期长、研制风险高等特点，其研发过程通常需要依赖大量的物理试验。
出于降低研制成本、缩短研制周期和减少对物理试验依赖的初衷，20世纪70年代以来，燃烧数值仿真技术被引入到航空发动机的工程设计和型号优化过程中，使得燃烧室设计由基于物理样机的试验设计方法逐步转向基于燃烧虚拟仿真的设计方法。
尤其是近年来，随着现代数学方法、计算机技术和燃烧仿真理论的迅速发展，燃烧数值仿真相关的物理、化学模型不断完善，使得数值仿真技术在航空发动机燃烧室工程研制过程中的作用日益突出，为燃烧室工程研制提供了新的技术手段。
图1 典型主燃烧室示意图2 加力燃烧室示意燃烧室数值仿真工程应用的背景燃烧室设计的关键问题燃烧室作为航空发动机动力的主要来源，其研制的过程受到了航空发动机研制机构的重点关注，通常在其工程设计过程中需要关注如下技术问题。
一是燃烧室气动热力性能评估与优化（如图3所示）。
主要关注主燃烧室和加力燃烧室的总压损失、燃烧效率、出口温度等气动热力性能参数，相关参数的评估和优化对航空发动机的综合性能有重要影响，必须在设计期间进行全面评估和优化。
图3 主燃烧室/加力燃烧室综合燃烧性能评估二是燃烧室点火、熄火与动态燃烧稳定性预测。
在工程设计过程中燃烧室的点火、熄火特性和动态燃烧稳定性，对发动机的使用包线、加速性和可靠性影响很大，工程分析与预测的方法并不完善，技术难度高，在设计中必须重点关注。
三是燃烧室构件装配与变形协调仿真及冷却、换热分析和强度寿命评估。
燃烧室构件冷态装配与热态变形协调，以及因高温引起的刚度、强度和寿命问题突出。
基于系统仿真技术的航空发动机性能优化研究
基于系统仿真技术的航空发动机性能优化研究随着工业化的快速发展，先进技术和系统仿真技术得到了广泛应用。
在航空工业中，系统仿真技术的使用已经成为了航空发动机性能优化研究中的一个重要手段，进一步推动了航空发动机技术的发展。
一、系统仿真技术的应用系统仿真技术是指运用计算机技术来建立一个实体系统的仿真模型，以便于在计算机上运行和测试，从而实现对该实体系统的模拟和分析。
在航空发动机性能优化研究中，系统仿真技术主要应用于以下方面：1.仿真测试航空发动机性能优化研究中需要进行大量的实验和测试，这需要耗费大量的人力和物力。
通过系统仿真技术，可以在计算机上对发动机进行各种模拟测试，为研究提供更加可靠的实验数据，同时节约成本和时间。
2.性能优化通过系统仿真技术，还可以对发动机进行优化设计，包括形状、材料、工艺等方面，从而改善发动机的性能。
与传统的试验方法相比，系统仿真技术具有更高的效率和精确度，可以在更短的时间内获得更好的设计方案。
3.可靠性分析在航空发动机性能优化研究中，还需要对发动机的可靠性进行分析和评估。
系统仿真技术可以对发动机进行各种试验，确定其故障模式和可靠性水平，并优化相应的设计方案，提高发动机的可靠性和安全性。
二、航空发动机性能优化研究的方法在航空发动机性能优化研究中，常用的方法包括以下几种：1.基于试验的研究基于试验的研究是通过实验和测试方式来研究发动机性能和优化设计。
这种方法耗费大量的人力和物力，而且容易受到环境影响，数据采集成本高，并且需要大量的装置和设备。
2.数值模拟方法数值模拟方法是通过数学模型对发动机进行模拟和计算，以获得发动机的各种性能参数。
这种方法可以快速获得数据，并且可以进行一些繁琐的试验操作，可以在更短的时间内获得精确的数据。
3.系统仿真方法系统仿真方法是将将试验数据和数值模拟方法相结合，通过引入数值计算和虚拟仿真技术来模拟和优化发动机性能。
这种方法具有更高的精度和效率，可以大大节约人力和物力，同时可以提供更准确的数据和分析结果。
航空发动机中的数字模型及仿真技术研究
航空发动机中的数字模型及仿真技术研究随着航空业的不断发展，航空发动机的性能要求也越来越高。
数字模型及仿真技术，作为一种重要的研究技术，可以为航空发动机的设计、制造和维修提供有效的支持。
本文旨在探讨航空发动机中数字模型及仿真技术的研究现状、应用以及未来发展方向。
一、数字模型与仿真技术的研究现状数字模型是描述航空发动机结构、性能、运行等各方面特性的数学模型。
数字模型包括几何模型、材料性质、传热传动、流动分析等多个方面，这些方面相互协调，共同构成一个完整的数字模型。
数字模型的重要性在于它们可以帮助工程师快速进行复杂情况的仿真。
通过数字模型的建立，航空工程师可以进行实际测试之前的模拟仿真，这样就大大地提高了航空工程师在设计、制造中的效率，并同时降低了开发成本。
仿真技术是指使用计算机进行物理过程的实验仿真。
在航空领域中，仿真技术在飞行器、发动机等方面都有应用。
仿真技术需要依赖数字模型这一基础，可以为航空工程师提供清晰的结果和分析，以便正确地进行设计和对工程进行调整。
数字模型的建立是仿真技术的基础。
目前来看，数字模型的建立需要涉及到多个专业领域的知识，包括结构、材料、传热传动、流体力学等多个学科，借助计算机对其进行建模。
因此，数字模型及仿真技术的研究和应用需要不断地深化，为航空工程师提供更加完整和准确的预测。
二、数字模型与仿真技术的应用数字模型及仿真技术在航空发动机领域中有着广泛的应用。
在设计阶段，数字模型可以在计算机上快速构建各种形状、大小和材料的零部件。
通过对机身、发动机进行分析，可以优化得出最优方案并指导实际制造过程。
在制造阶段，数字模型及仿真技术可以帮助工程师进行工具与夹具的设计及制造，以确保最高的精度和质量。
而在检修及保养阶段，数字模型可以帮助工程师识别问题部位并逐步提高维修效率。
在发动机运行过程中，数字模型和仿真技术可以及时分析发动机的性能，并提供工程师必要的调整建议，从而保证发动机总体状态处于最佳状态。
航空发动机气动性能的数值模拟研究
航空发动机气动性能的数值模拟研究航空发动机的气动性能是其工作效率和可靠性的重要指标。
为了提高航空发动机的性能，研究人员通过数值模拟方法来研究发动机的气动性能，并优化发动机的设计与工艺。
本文将介绍航空发动机气动性能数值模拟研究的意义、方法和应用。
1. 航空发动机气动性能的意义航空发动机的气动性能直接影响航空器的推进力、燃油消耗和飞行性能。
提高航空发动机的气动性能可以有效降低燃油消耗，并提高飞机的速度、载重能力和航程。
因此，研究航空发动机的气动性能对于航空工业的发展至关重要。
2. 数值模拟研究方法航空发动机的气动性能研究通常使用数值模拟方法。
数值模拟是利用计算机模拟真实环境中的流体力学过程，可以更好地理解和分析发动机内外流场的复杂流动现象。
目前，常用的数值模拟方法包括计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA）。
2.1 计算流体力学（CFD）方法计算流体力学是一种利用数值方法解决流体流动问题的数值模拟方法。
它基于流体力学的数值求解方法，并通过分割流场为网格单元来计算流场内的速度、压力和温度等参数。
CFD方法可以模拟复杂的流动现象，如湍流、激波和旋涡等，因此在研究发动机的气动性能时得到了广泛应用。
2.2 有限元分析（FEA）方法有限元分析是一种用于求解连续体力学问题的数值方法。
在航空发动机的气动性能研究中，FEA方法主要用于模拟发动机内部的结构和部件的应力、变形和振动等问题。
通过使用有限元分析，可以更好地了解发动机各部件的力学性能，并优化设计以提高气动性能。
3. 发动机气动性能的数值模拟应用航空发动机的气动性能数值模拟应用广泛，主要包括以下几个方面：3.1 气动外形优化数值模拟可以帮助研究人员优化发动机的外形设计，以减小飞行时的阻力和提高推进效率。
通过分析流动现象和参数分布，可以对发动机的外形进行改进，减小飞行时的气动阻力，提高动力性能。
3.2 湍流模拟湍流是航空发动机内部流场中的一种常见现象，对发动机性能和稳定性有着重要影响。
航空发动机动力性能的数值模拟与分析
航空发动机动力性能的数值模拟与分析航空发动机是飞机的重要组成部分，其动力性能直接关系到飞行的效率和安全。
为了提高发动机的性能，科学家们开展了大量的研究工作。
其中一项重要且常见的方法是利用数值模拟与分析技术。
本文将探讨航空发动机动力性能的数值模拟与分析的应用与挑战。
一、数值模拟技术在航空发动机研究中的作用数值模拟技术是通过运用数学模型和计算机算法，对现实世界中的复杂问题进行数值计算和仿真。
在航空发动机动力性能研究中，数值模拟技术能够提供全面、准确的数据，帮助工程师和研究人员深入了解发动机的工作原理和性能特点。
首先，数值模拟可以分析和优化发动机的气动特性。
通过建立三维流体力学模型，可以模拟气体在发动机内部的流动过程。
通过计算流体动力学（CFD）模拟，可以获得流场的速度、压力、温度等关键参数，进而了解气体在压气机、燃烧室和喷管等部件间的传热和传质过程。
其次，数值模拟还可以研究燃烧和燃烧室的特性。
通过计算燃烧室内的气体温度、燃料燃烧速度、压力分布等参数，可以评估燃烧效率和燃烧不稳定性。
同时，由于燃烧室内的气体流动过程与理想气体假设不完全符合，数值模拟可以通过引入物理模型和化学反应机制进行更精确的模拟和分析。
最后，数值模拟还可以用于动力性能的评估和优化。
通过分析发动机输出的推力、功率以及油耗等关键指标，可以评估发动机的性能并提出优化方案。
此外，数值模拟还可以预测各种外部条件下发动机的工作状态，为飞行员和工程师提供实时的工作参考。
二、航空发动机动力性能数值模拟的挑战和解决方案尽管数值模拟技术在航空发动机研究中有着广泛的应用，但仍然面临一些挑战。
其中最大的挑战之一是模型的精度和计算的复杂性。
首先，为了获得准确的结果，数值模拟中所使用的模型必须足够精细。
这意味着需要引入更多参数和物理过程，从而增加计算量和计算难度。
此时，如何在保证精度的同时提高计算效率成了一个关键问题。
针对这一挑战，科学家们开展了各种研究，如优化计算算法、引入并行计算等技术手段，以提高计算效率和减少计算时间。
飞机发动机性能评估中的仿真模拟方法研究
飞机发动机性能评估中的仿真模拟方法研究随着航空业的发展和飞机性能要求的增加，对飞机发动机性能评估的需求也日益迫切。
发动机性能评估是确定飞机在不同工况下的推力、燃油效率、排放、噪声等性能指标的过程，对于飞机的设计、生产和运营起着至关重要的作用。
然而，由于现实环境的限制和成本的考虑，直接在实际飞机上进行全面的性能评估几乎是不可能的，因此仿真模拟方法成为一种重要的评估手段。
仿真模拟方法是在计算机环境下通过运用数值计算和模型建立来模拟真实发动机运行的一种手段。
它允许工程师们在低成本、安全、全面的条件下对飞机发动机的性能进行评估，并为飞机的设计和优化提供指导。
下面将针对发动机性能评估中常用的两种仿真模拟方法——气动仿真和热力仿真进行详细介绍。
气动仿真是通过利用计算流体力学（CFD）方法，对发动机内部流场进行模拟和分析的一种方法。
通过建立发动机几何模型和边界条件，并利用Navier-Stokes方程等物理方程，可以定量地描述发动机内部流动的状态与特性。
这种仿真方法主要应用于模拟发动机进气道和压气机等部件的流动情况，从而评估气动性能、压气机效率和压气系统的工作状态等。
通过该仿真方法，可以定量分析不同工况下的喘振现象和进气道不均匀度等问题，为发动机设计和优化提供重要依据。
热力仿真是通过建立热力学模型，模拟和分析发动机燃烧室和涡轮机的热力过程的方法。
该仿真方法基于热力学原理和燃烧过程的物理现象，结合适当的数值计算方法，可以定量描述燃烧室内的温度、压力、混合比和驱动涡轮的热能转换等关键参数的变化。
这种仿真方法主要用于评估发动机燃烧效率、排放特性和涡轮机的工作状态等。
通过该仿真方法，可以分析不同燃烧模式对功率输出、燃料消耗和排放物生成的影响，为发动机的优化提供参考依据。
除了气动仿真和热力仿真，还有其他一些仿真模拟方法也在飞机发动机性能评估中得到应用。
例如，结构力学仿真可以模拟发动机的受力和振动，并评估发动机结构的强度和可靠性。
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Electronic Technology •
电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 77【关键词】航空发动机 数值仿真 高性能计算1 航空发动机特殊工程要求
航空发动机有着高温、高压、高转速的
机械特点，目前更是朝着负荷更高、效率更高、部件耐久性更好、结构更加紧凑的方向发展。
同时，其内部的气动流向，特别是非定常、环保设计、流固耦合等特殊工程研究，也在逐步开展。
这些工程应用研究，离不开高性能数值仿真计算，正确的数值仿真方法，有效的计算资源配置，能够提高产品设计质量，缩短设计周期，降低研制成本。
2 主要数值模拟计算软件类型
2.1 隐式结构分析应用程序
隐式结构分析应用程序，其主要特点是
线性度不好，加速比不高，跨计算节点后性能提高不明显；单个作业对内存的需求比较大，对存储I/O 的需求量非常大，通常在计算过程中，会产生大量的本地交换文件，这些文件是临时存放的，但文件存储的性能直接影响到计算效率。
同时在计算过程中，各分布式节点需要进行大量的数据交换，经验表明许多问题的计算成本大致与自由度数的平方成正比，而且磁盘空间和内存需求也以同样的方式增长。
在行业内，主要计算商业软件包括Ansys ，Abaqus 以及Nastran 等，也有自行开发的计算软件，经过我们应用测试，这类软件的运行通常在SMP 小型机或胖节点服务器上可以获得航空发动机高性能数值仿真应用
文/陈高阳
更好的性能，主要原因是单个作业对内存、存储I/O 需求量大，且在计算过程中，会产生大量本地交换文件，因此，应用胖节点服务期运行隐式结构分析应用程序，可以起到事半功倍的效果，特别是在我们工程应用领域，其效率远远高于多节点并行处理方式。
2.2 显式分析应用程序显示计算主要特点是并行效果好，能够在集群环境下，任务并行到多个计算节点，数据交换主要在作业递交和计算结果的提取两个过程，在计算求解期间，显式计算方式各节点之间数据交换的频率和数据量并不大。
在我们现有的运行集群系统构架中，通常每个节点配置2 个物理CPU ，每个CPU 配置2GB 内存，本地配置固态硬盘。
其中CFX 和Flunt 是两款常用的流体计算商业软件，在工程应用过程中，这两款商业软件当前主流版本表现了优秀的并行处理性能，并且解决了之前工程设计过程某些无法通过数据仿真计算来模拟的工程应用场景，如高网格精度单通道气动性能计算，单个3000万网格精度模型，300个左右设计方案，经过一个月的计算，工程设计选出了较优的方案。
其中，ABAQUS 和ANSYS 是两款比较特殊的软件，它们的计算方法既支持显式计算，也支持隐式计算。
我们常用的有限元软件一般都是隐式计算方法，就是解方程[K][U]=[P]。
而显式计算则是使用时间积分的方法。
显示积分在动力计算中几乎不存在不收敛的问题，所以在动力学及弹塑性分析中使用的较多，目前这是国内进行动力学及弹塑性分析中使用最多的两款软件。
综上所述，在工程设计过程中，选取好的数值模拟方法配合恰当的计算精度，可以起到事半功倍的效果，并最终提高工程设计效率，得到较高的工程设计质量。
当然，计算精度不是越高越好，在计算过程中，计算精度的提高，伴随的是计算资源的成倍增长，前期处理人力资源的增加，且计算精度在达到一定量级后，其计算结果将不再发生改变，因此计算精度的选取，应结合设计人员的工程经验和试验校核来进行。
3 工程应用测试案例3.1 工程应用测试案例该测试以计算节点为单位，每节点配置20 核，测试 5 个不同的Fluent 算例，使用不同的 CPU 核数并行，分析 Fluent 算例的并行扩展性和算例规模、CPU 核数之间的关系。
如表1所示。
3.2 结论Fluent 等这些主流商业计算软件，并行扩展性都较好，各进程间负载均匀，每节点内存需求不大，但内存访问带宽较大，InfiniBand 流量带宽都比较大，对网络带宽和延迟性能要求较高，理论上节点数越多，计算效率越好，但不同商业软件版本，对最大并行节点数都有一定限制，随着新版本的软件更新，其支持最大并行节点数都会有一定的变化。
参考文献[1]方民权等著.GPU 编程与优化:大众高性能计算[M].清华大学出版社,2005. [2]刘文志著.科学计算与企业级应用的并行优化[M].机械工业出版社,2006.作者简介陈高阳（1976-），男，高级工程师。
研究方向为信息安全。
作者单位中国航发湖南动力机械研究所 湖南省株洲市 412002
表1：测试案例20(核)40(核)80(核)160(核)320(核)540(核)Model_500K 321秒175秒102秒163秒32秒28秒Model_2.1M 1500秒810秒547秒554秒Model_15M 1878秒874秒604秒227秒192秒Model_100M 1410秒823秒395秒260秒。