近年來，隨著計算機技術的不斷發展，針對航空發動機性能仿真的工具也不斷成熟，在縮短發動機研制周期、降低研發成本方面的成效不斷顯現。中國航發動研所作為國內主要的渦軸發動機研制單位，先后承擔過多種型號的渦軸發動機研制工作，在渦軸發動機性能仿真方面有著扎實的理論研究基礎和豐富的工程實踐經驗。目前，動研所在型號研制中不斷強化仿真的工具作用，已建成高性能計算平臺，具備億級網格的氣動三維數值仿真能力，針對渦軸發動機氣動仿真特點開展了葉輪機流場/性能仿真、聯合/耦合氣動及換熱仿真、起動過程全尺寸燃燒室三維點火仿真、多相流仿真等研究工作，如圖1所示，對產品研發的全面加速起到了關鍵作用。

圖1   渦軸發動機性能仿真主要內容

與大型渦扇、渦噴發動機相比，渦軸發動機的主要特點是：裝機對象主要為直升機，通過旋翼產生強大氣流的反作用力來拉起/拉動起降/飛行，機體周圍旋翼下洗流動顯著，給發動機進排氣帶來影響；軸功率一般不超過5000kW，多數都在2000kW及以下，因此，幾何尺寸及空氣流量相對較小，結構緊湊、轉速高，“小尺寸效應”及“小流量效應”顯著；構型多樣，包括多級軸流、單級離心、“軸流+離心”和雙級離心壓氣機，直流、斜流、回流、折流燃燒室，軸流、向心渦輪，軸向/徑向進氣與軸向/偏斜式排氣，有的還帶有整體式粒子分離器；另外，直升機起降靈活，需要很強的適應復雜惡劣環境的能力，包括山區、沙漠、冰雪地面以及海面，尤其在起降過程吸入沙石、樹葉、雜草等外物，帶來葉片磨蝕，氣路、油路堵塞，軸承磨損等不利影響。

同時，新材料、新工藝的發展，以及適航性、安全性要求等均對渦軸發動機的性能仿真提出了新挑戰，例如，內部流動的尺度效應明顯，邊界層三維效應強，小尺寸流動湍流邊界層厚度甚至接近流動尺度，黏性力影響大，壁面摩擦和熱交換現象均更劇烈；氣流折轉多，內部流場的畸變和損失控制難度大；渦軸發動機最常見的裝機位置是在直升機旋翼下方，旋翼的下洗氣流會誘發發動機喘振和左右發功率不平衡等問題。

此外，渦軸發動機仿真還面臨著逆壓梯度大、流動三維效應和轉靜子干涉明顯、流動耦合互相關效應強、內流氣體物理特性變化大、存在氣/液/固三項流耦合情況等發動機仿真的共性問題，這些問題均給渦軸發動機的流動模擬精度的提升帶來了挑戰，獲得高精度性能仿真結果的難度極大。因此，如何準確模擬渦軸發動機典型部件和附屬系統內部的流動現象，以提高性能仿真的精度和可靠性，一直以來都是渦軸發動機仿真研究的重中之重。

與一般航空發動機類似，渦軸發動機葉輪機氣動仿真主要包括壓氣機和渦輪的氣動仿真，是渦軸發動機仿真工作的重點。動研所通過相關研究工作，使得仿真的精度和可信度已滿足工程研制需要，為加速渦軸發動機研制提供了強有力的支撐。

采用S2流面計算分析與規范化的雷諾平均方程（RAN-S）方法，對壓氣機、渦輪開展常規的設計分析與迭代優化工作，可以在較短時間內以較低成本提供葉輪力學性能數據及對應的詳細流場細節，從而能在數天時間內完成方案設計與性能分析工作，加速渦軸發動機設計過程，如圖2所示。這對于不斷提升渦軸發動機整機性能、減少設計反復具有重大意義。

圖2   軸流-離心組合壓氣機氣動仿真

同時，基于非線性諧波法和全通道非定常RAN-S求解法的非定常仿真方法，是研究進氣畸變影響、葉輪機械端區流動、轉靜子干涉時序效應等復雜流動問題的有效工具，可在試驗前獲得葉輪機械內部流場的時域與頻域信息，從而指導試驗與測試方案，降低了型號研制對于試驗的依賴度和試驗需求，特別是減少了畸變試驗和喘振邊界摸底試驗等高風險試驗的次數，提升了試驗的成功率。

另外，基于RAN-S的流熱耦合仿真廣泛應用于渦輪葉片冷卻方案設計，并與葉片冷卻效果試驗相結合，解決小尺寸冷卻試驗測試布置困難、測量區域和精度有限的難題，獲得小尺寸葉片在真實環境下較為準確的溫度分布，確保渦輪設計與試驗的一次成功。

近年來，以離散大渦模擬（DES）和大渦模擬（LES）的仿真方法在低雷諾數渦輪葉片、高壓比單級壓氣機流場分析和端區復雜流動分析和損失控制中也得到了應用，解決小尺寸葉輪機流場測量困難的問題，在一定程度上可以替代葉柵試驗，優化葉輪機設計，提高葉輪機全包線性能。

在仿真工作的支持下，動研所目前已經具備壓比25∶1以上的組合壓氣機設計能力，以及單級膨脹比4.5∶1跨聲渦輪和進口總溫1900K量級、總效率92%的小尺寸冷卻渦輪設計能力，未來將繼續向負荷更大、效率更高、結構更緊湊的葉輪機械高精度性能仿真方向發展。

渦軸發動機由于自身結構緊湊和裝機位置特殊等原因，需要對氣動及換熱問題進行綜合考量，才能較為準確地評估出設計方案的有效性及合理性，為發動機的安全運轉及性能優化提供定量數據支撐。

空氣系統

渦軸發動機空氣系統與發動機軸向力、強度壽命以及變形等關系密切，而這些又與發動機的安全運行緊密相關。因此，只有準確地仿真出轉子周圍的流動及換熱情況，對轉子件強度、壽命、變形進行準確分析，才能為發動機的安全性設計提供保障。

由于渦軸發動機空氣流量小、溫度梯度大，冷氣沿程溫升很高，流動與傳熱熱效應非常顯著。為滿足工程分析精度要求，必須進行空氣流動與零件傳熱耦合仿真分析。以一個渦軸發動機燃氣渦輪二級導向葉片及內封嚴結構的流熱耦合結果為例，其中考慮了冷氣沿程的沖擊換熱、肋片強化冷卻、空氣預旋、盤腔風阻、篦齒射流等一系列復雜流動與換熱現象的相互耦合影響。空氣系統仿真在準確提供轉子盤腔內部氣流流動信息的同時，還有助于更精確地進行零部件冷卻效果、溫度場分析。這對提升渦軸發動機性能、壽命，保障渦軸發動機安全運轉提供了有力支撐。

整機聯合氣動仿真

渦軸發動機性能與進氣道性能和外界來流情況直接關聯，嚴重時發動機的壓比、效率和裕度均會大幅下降，甚至危及穩定運行，這就需要通過各部件聯合氣動仿真和內外流耦合仿真分別對不同因素進行評估。為此，動研所開展了發動機進氣道—壓氣機—燃燒室—渦輪聯合氣動仿真研究工作，如圖3所示，可有效評估各部件對整機性能的影響程度，對各部件的耦合匹配意義重大。

圖3   渦軸發動機進氣道—壓氣機—燃燒室—渦輪聯合氣動仿真結果

直升機/發動機內外流耦合仿真

為進一步探尋機體和直升機旋翼流動對發動機性能的影響規律以及發動機布局和進排氣相互干擾的影響，尤其是三發布局的直升機，需要進行內外流耦合氣動仿真研究工作。目前，動研所通過采用多參考系模型，已開展了內外流耦合流場仿真研究，如圖4所示，用以解決直升機的發動機進氣畸變、尾氣吸入等問題，避免飛發匹配與布局的重大調整，加速研制進程。

圖4   內外流耦合流場仿真結果

起動過程全尺寸燃燒室三維點火仿真

動研所在基于RAN-S燃燒仿真研究的基礎上，實現了燃燒室內的速度、溫度和濃度等物理量的高精度預測，滿足了燃燒室多輪次、快速迭代工程設計的需要。同時，動研所采用的“低維模型+RAN-S冷態流場”的點火概率分析方法，可以低成本實現燃燒室點熄火等非穩態工況的高精度仿真，進而實現對點火邊界的預測，已為多款發動機燃燒室的順利研發提供了技術保障，避免設計與試驗驗證的不斷反復，大大提升了燃燒室設計精準度，減少了試驗次數。同時，針對下一代高性能燃燒室的研發需求，動研所還開展了LES燃燒仿真研究和基于可實現 k-ε（RKE）湍流模型、火焰面生成流形（FGM）模型的低成本數值仿真研究，可分別實現精細化燃燒仿真和高精度點火概率仿真，如圖5所示，進一步為燃燒室設計的一次成功提供了保障。

圖5   RAN-S與LES仿真結果對比

渦軸發動機在復雜環境使用中，其真實流動還包括氣/固、氣/液、氣/液/固等多相流動。典型的包括粒子分離器沙石分離、發動機進氣結冰、吞水以及滑油潤滑系統內部的空氣/滑油等多相流。動研所的研究經驗表明：高保真或高精度的多相流仿真工作在加速設計方案迭代、改進和優化結構、確保試驗驗證的成功等方面作用巨大。

粒子分離器氣/固兩相流仿真

粒子分離器的主要功能是避免沙石被渦軸發動機吸入，以減少對發動機葉片的撞擊、磨蝕和對渦輪冷卻通道的堵塞，避免發動機性能的衰減和故障的發生，在渦軸發動機上被廣泛應用。目前針對粒子分離器的穩態三維流動問題，動研所通過采用基于拉格朗日粒子追蹤原理的仿真方法，開展了大量的氣固兩相耦合仿真，模擬了粒子分離器內的分叉流動現象（如圖6所示），并結合試驗進行了沙石模型的修正，提高了仿真精度，其分離效率的仿真預測精度已在5%以內，基本滿足了工程需要。在此基礎上，動研所已實現了粗沙分離效率不低于90%、細沙分離效率不低于80%、總壓損失小于2.5%的粒子分離器的研發與驗證，為渦軸發動機的安全運轉提供了切實保障。

圖6   粒子分離器內部沙粒運動軌跡仿真

防/結冰設計的氣/液及液固相變仿真

結冰作為航空器上的常見現象，給飛行器的安全帶來了極大隱患。目前，防/結冰設計分析涉及兩相流、相變、傳熱傳質過程，技術難度大；冰風洞試驗成本高、周期長，給防冰系統設計及驗證造成了較大困難。動研所基于FLUENT軟件二次開發的防冰/結冰仿真分析軟件，能夠對過冷水滴撞擊特性、防冰熱平衡以及靜止部件的結冰冰形進行較為準確的模擬，如圖7所示，極大地提升了航空發動機防冰系統的設計能力。通過防冰/結冰仿真分析，不僅提高了防冰系統設計成功率，還解決了民用渦軸發動機研發中遇到的結冰關鍵點選取等技術瓶頸，促進了民用渦軸發動機適航取證工作的順利開展，大大降低了防/結冰試驗周期和成本，為渦軸發動機的安全性設計提供了堅實的保障。

圖7   進氣支板結冰冰形仿真與試驗對比

滑油系統多相流動仿真

渦軸發動機滑油系統的性能對整機的可靠性、壽命、安全性都意義重大，其內部涉及油氣兩相、液體撞擊固體壁面、旋轉湍流等復雜流動狀態，是典型的多相流動問題。目前，動研所采用體積函數法（VOF）兩相計算模型，開展了滑油潤滑系統的流動仿真分析，包括典型旋轉流動下的環下潤滑結構內部油/氣兩相流的流動狀態仿真，如圖8所示，仿真對收油效率的預測和試驗結果偏差基本達到工程需要。并且相較試驗而言，數值仿真周期短，比試驗研究更具靈活性，可以對試驗難以測量的內部復雜流場做出預測，獲取內部的油氣兩相流流動狀態和特性，為滑油系統管路、通道結構優化改進以及滑油消耗量精準預估提供了依據，對提高滑油系統收油效率、保證發動機的安全運轉均有重要意義。

圖8  滑油系統空氣場幾何模型—仿真—試驗結果圖

綜合分析現有技術的研究現狀和發展趨勢可以預見：以機器學習為代表的低維度實時仿真技術，可以大大加快發動機氣動設計迭代速度；以LES大渦模擬為代表的高保真三維仿真技術，可大幅提高仿真精度并統一發動機氣動湍流模型。上述方法均對發動機詳細設計意義重大，如應用得當，則有望在計算量適中且精度較高的湍流仿真模型與方法的建立、飛發一體化耦合仿真、高精度流動分離預測及氣固熱耦合仿真等渦軸發動機性能仿真未來研究中發揮巨大作用。