推进系统数值仿真综述

收稿日期:2000-05-23＊参考国外科技资料译编推进系统数值仿真综述＊江义军(中国燃气涡轮研究院　成都·610500)摘要　参考国外科技资料,较系统地综述了NASA的推进系统数值仿真(NPSS)的构思、结构、难点和解决途径。

关键词　推进系统　数值仿真　综述1　前言推进系统数值仿真NPSS(Numerical Propulsion System Simulation)是与综合高性能涡轮发动机技术(I HPTE T)计划相互补充的研究项目,是NASA刘易斯(Lewis)研究中心的推进系统多学科研究计划之一。

I HPTET计划开始时,主要为试验研究计划—研究压气机、燃烧室、涡轮、喷管、控制、机械系统、测试、材料、结构和计算流体力学等领域的先进技术,目的是在世纪之交时,使推进系统能力翻一番。

NPSS是长远的数值仿真计划—通过把各学科、部件、高性能计算集成为界面友好的模拟环境,在设计阶段的初期,硬件制造之前,利用该集成系统进行新概念和试验难于模拟的问题进行广泛的计算评估,以达到减少先进推进系统研制成本和周期的目的。

I HPTET计划得到的发动机研究数据用以验证NPSS计算模拟结果。

2　在IHPTE T计划中NASA承担的研究和试验项目NASA刘易斯研究中心是开展IHPTE T计划的主要成员之一,它在该计划中主要致力于部件(压气机、燃烧室、涡轮、机械系统、喷管、控制)和关键学科(材料、结构、测量、计算流体力学)的研究。

在IH-PTE T计划中,NASA扮演的角色是:(1)　着重于长远项目的基础研究和试验(加强I HPTET的技术基础知识及对IHPTE T后期有影响的项目的研究);(2)　领导推进系统的气动热力、结构、控制的数值模拟等CFD工作;(3)　部件设计、分析程序的验证;(4)　先进复合材料,包括金属复合材料、陶瓷复合材料、聚合物复合材料的研究(着重于改进纤维材料及其加工方法,设计和寿命预估方法)。

3　NPSS的目标通过高精度(逼真度)的数值仿真进行先进推进系统的分析,减少寿命期成本。

数值仿真可以实现:(1)　较高水平的并行工程;(2)　新概念、新思路对系统性能影响的快速估算;(3)　风险的早期评估;(4)　工作能力的早期评估;(5)　场问题的迅速估算;(6)　性能衰减的评估。

推进系统中采用任何一项新技术的代价是非常昂贵的,因为它需要在复杂的系统里进行多学科、多部件综合影响的考核,进行许多大尺寸的硬件试验。

NPSS正是通过数值仿真去认识这种复杂系统的相互影响。

56燃气涡轮试验与研究　2000年第13卷第4期4　NPSS—推进系统的数值试验台NPSS是一种从上到下(top-down)的系统方法,它可为设计者提供研究影响系统性能的各相关因素的工具,在设计和分析过程的早期,提供相对而言不需花太多经费的改变设计的手段。

相对于传统的试验台,NPSS可以看作“推进系统数值试验台”。

它要把多学科和各部件通过计算耦合起来,以确定系统属性,如性能、可靠性、稳定性、寿命等。

它需要高性能计算平台(包括并行和整体计算)、并行处理器、用户界面、专家系统、数据库管理系统、可视化工具等。

除学科和部件自身设计和计算技术的发展外,还必须解决以下技术:(1)　界面学科分析—把相关学科,例如气动、结构、传热、化学、材料、控制等耦合起来;(2)　系统集成分析—把子系统、部件、子部件在详细到恰当程度上耦合起来;(3)　高度友好的用户界面—模拟环境;(4)　高性能计算平台—各种各样结构、大规模的并行处理器,提供需要的计算速度和内存。

推进系统模拟、分析、优化所需计算时间估计从略。

此计算时间仅对影响推进系统特性(如设计者感兴趣的性能、寿命、可靠性、稳定性)的现象进行数值仿真而言,整个推进系统的详细分析太复杂,即使用浮点运算速度1012(1000亿次/秒)的计算机都不适宜进行经济有效的计算。

5　NPSS的切入(Zooming In)方法仿真系统应能进行以下物理过程处理:对分析研究的部件或子部件应进行详细分析,而对仅用于估算系统特性的部件不必进行详细的模化。

相应地,仿真系统应能估算发生在部件或子部件上的哪些物理过程对推进系统性能影响最大,从而使工程技术人员把注意力聚焦于这些过程。

例如,研究风扇时,可切入(Zooming In)风扇,计算新的叶片设计对系统的影响,进气道和压气机可在稍低逼真度下模化,进行可分辨进气畸变或上游条件对压气机叶型影响的模化就可以了,而燃烧室、涡轮、喷管只在更低级别模化,达到可确定轴功率或推力就行了。

要实现“切入”,需要对计算程序和模化方法分层次,还要对分层模化所依据的机理有所了解。

6　单学科模化流体动力学模拟是集成系统模化的基础。

已经发展的一种多级叶轮机分析就是这样一种方法,该方法基于N—S方程和能量方程,对影响相关物理过程的时间和空间标量直接求解,对方程中诸如彻体力(body forces)和能量源项等标量不直接求解,而是基于物理试验或更高精度的数值模拟结果用半经验关系式的方法进行处理,把低分辨度的模拟结果作为高分辨度模拟的边界条件。

结构模化方法也是重要基础之一,它应提供一种在各种层次模化时变量最少的确定空间位置的方法,用它可以处理从一个叶片到一个转子,到一个核心机,直至一台发动机的结构模拟问题。

这种结构模化能力可以通过一种称之为“渐进子结构技术”(progressive Substructuring Technique)的数学方法和工具来实现。

7　NASA刘易斯的NPSS发展计划Le wis正在研制2级水平(一维,时间精确)的推进系统数值仿真。

它能把流体力学计算程序、涡轮发动机数值模化、结构程序及涡轮发动机过渡态分析耦合起来,它首先应用到E3发动机上并与GE公司的试验结果对比进行验证。

风扇仿真将推进到第4级水平(三维,时间精确),把流体力学、结构、最终还要把声学现象耦合起来,提供发动机2级水平仿真要用的风扇特性图,与E3试验结果比较验证后,将改变风扇几何尺寸(例如变更分流器、改变涵道比),分析研究风扇过渡态稳定工作特性,并在发动机效率和噪声排放间进行折衷。

将来要进行3级水平的NPSS(即二维轴对称,时间精确)推进系统仿真,3级水平将是NPSS软件的支撑系统(back bone)。

更高级别的5级水平仿真需要新的物理模型、新的多学科耦合方法及新的计算技术。

8　仿真系统构成仿真系统主要由以下部分组成:57推进系统数值仿真综述(1)　仿真系统控制专家系统;(2)　仿真计算程序(工程计算模块);(3)　超级介质信息系统;(4)　模型生成专家系统;(5)　数据管理设备;(6)　操作人员设备(Model Librarian Facility);(7)　仿真器控制设备;(8)　模型编辑设备;(9)　图形可视化设备。

仿真执行程序控制以上各部分。

要进行推进系统仿真需要高性能的、大规模的并行计算机;用户界面应把用户与计算系统的内部结构屏蔽开来,并对用户执行仿真提供充分的在线指导和帮助;集成环境应是“无缝的”(Seamless),它由仿真执行文件把物理科学、计算机科学、计算系统软件、计算系统硬件集成在一起,它要处理多学科,多部件问题并把大量的变量在不用尺度、不同区域计算出来,计算结果储存在局部或整体数据库中。

这种海量工作只有靠并行处理和网络才能完成,并需开发分配并行处理的逻辑方法和软件,还需添加仿真显示、专家系统等支持系统。

为实现并行计算,需要按新的并行结构对数学方法和计算公式进行改造。

NPSS的长远目标是实现软件、硬件在大量并行平台上的资源共享。

在这种共享模式下,尽管硬件平台是由众多的结构组成,但程序员看到的只是一个统一的程序平台,这样可以简化开发新程序的需要,也可为当今工程界使用的众多版本的Fortran程序提供最容易、最灵活的平台。

在实现该远景之前,近期为了NPSS应用,为了使现有程序在并行计算机上可用,需要进行程序分割(Partioning)的工作。

9　总结NPSS是一项长远计划,最终目标是减少研制先进推进系统的成本和周期。

这一目标要由NASA、工业界、院校、政府机构合作完成,技术上需对涉及的物理过程有清楚地了解并加以计算模拟而不是粗略的计算分析。

特别是要适应并行计算和大量并行处理的计算方式,须开发相应的计算数学处理方法。

此外,强有力的管理队伍是需要的,以界定、倡导和推行这些技术。

I HPTET作为试验和演示计划,将能为NPSS计划提供有价值的涡轮发动机数据,以便验证。

参　考　文　献(略)计算机应用学术年会在中国燃气涡轮研究院召开四川省航空宇航学会和贵州省航空学会于2000年9月4日至8日在四川成都中国燃气涡轮研究院联合召开了计算机应用学术年会。

参加会议的代表来自四川、贵州两省航空系统的厂、所和院校,分别是中国燃气涡轮研究院、611所、132厂、161厂、460厂、011基地2所、广汉民航学院、空军5719厂、西南航空维修公司、信息产业部30所等单位。

会议收到学术论文共17篇,在会议上交流学术论文13篇。

本次会议着重讨论计算机技术、网络技术、网络信息安全技术、CAD/C AM/CAE技术、数据库技术和INTRNE T技术等在航空领域的研究应用及在西部大开发中的作用。

IB M、MSC、康柏等计算机公司就C ATI A系统、结构有限元NASTR AN系统、WINDCHILL系统、UG系统、R S/6000、SGI03000系列产品、ALPHA产品、IB M的磁盘和磁带等新产品新技术做了介绍和演示。

(供稿:周焕珍　郭洁茜)58燃气涡轮试验与研究　2000年第13卷第4期。