發動機仿真的案例
兩機仿真丨航空發動機零部件、整機級三維數值仿真技術詳解
這次工業革命將基于數字和互聯網形成價值創造的新生態系統，推動航空發動機企業數字工程轉型，即實現物理系統全生命周期數字鏈貫通、虛擬系統全生命周期數字鏈貫通，以及利用數據、信息和知識的集成分析實現發動機系統的虛實交互、實時分析、動態評估以及上下游縱橫無死角數據追溯，幫助航空發動機實現需求捕獲更精準、研制過程更敏捷、使用效能上臺階，從而加速實現航空發動機自主研發和制造生產。
航空發動機數字工程實踐將仿真技術的重要性推上了一個新的高度，而大量先進信息技術的引入也為航空發動機仿真技術的發展帶來了新的動力，不斷推動著仿真技術的變革，為航空發動機產業高質量發展奠定堅實基礎。
數據驅動的高效、高精度仿真模型構建
數據科學是大數據時代下的一門新學科，它以數據作為媒介，利用數據驅動和數據分析方法去揭示物理世界現象所蘊含的規律，是由統計學、計算機科學和社會科學高度融合的一整套知識體系。
對于新時期航空發動機而言，技術復雜程度和性能指標要求越來越高，研發難度顯著增大。在傳統的航空發動機部件級、整機級數值仿真過程中，已經積累了海量的數據以及復雜的模型，但一方面仿真結果大多都比較簡單，可能使仿真精度和可靠性不足；另一方面缺乏對仿真數據的管理和高效的數據共享機制，使得仿真數據無法在航空發動機研制過程中得到有效利用。
展開 CAE干貨丨航空發動機三維數值仿真技術
這次工業革命將基于數字和互聯網形成價值創造的新生態系統，推動航空發動機企業數字工程轉型，即實現物理系統全生命周期數字鏈貫通、虛擬系統全生命周期數字鏈貫通，以及利用數據、信息和知識的集成分析實現發動機系統的虛實交互、實時分析、動態評估以及上下游縱橫無死角數據追溯，幫助航空發動機實現需求捕獲更精準、研制過程更敏捷、使用效能上臺階，從而加速實現航空發動機自主研發和制造生產。
航空發動機數字工程實踐將仿真技術的重要性推上了一個新的高度，而大量先進信息技術的引入也為航空發動機仿真技術的發展帶來了新的動力，不斷推動著仿真技術的變革，為航空發動機產業高質量發展奠定堅實基礎。
數據驅動的高效、高精度仿真模型構建
數據科學是大數據時代下的一門新學科，它以數據作為媒介，利用數據驅動和數據分析方法去揭示物理世界現象所蘊含的規律，是由統計學、計算機科學和社會科學高度融合的一整套知識體系。
對于新時期航空發動機而言，技術復雜程度和性能指標要求越來越高，研發難度顯著增大。在傳統的航空發動機部件級、整機級數值仿真過程中，已經積累了海量的數據以及復雜的模型，但一方面仿真結果大多都比較簡單，可能使仿真精度和可靠性不足；另一方面缺乏對仿真數據的管理和高效的數據共享機制，使得仿真數據無法在航空發動機研制過程中得到有效利用。
展開 航空發動機仿真技術研究現狀、挑戰和展望
本文論述了仿真技術在航空發動機學科領域維、產品層次維和全生命周期維三個方面的發展與應用現狀，分析了航空發動機仿真技術發展存在的問題，提出了提升仿真能力的戰略措施。
航空發動機仿真技術研究現狀、挑戰和展望
航空發動機仿真技術研究現狀、挑戰和展望
摘 要：仿真技術是支撐航空發動機自主研發的重要手段，體現了一個國家的高端裝備研發水平，可大幅提高航空發動機的研發效率和質量，減少實物試驗反復，縮短研制周期，降低研制成本。本文論述了仿真技術在航空發動機學科領域維、產品層次維和全生命周期維三個方面的發展與應用現狀，分析了航空發動機仿真技術發展存在的問題，提出了提升仿真能力的戰略措施。
關鍵詞：航空發動機；仿真技術；發展；挑戰；展望
1 引言
1 引言
仿真是一門基于控制論、系統論、相似原理和信息技術的多學科綜合性技術。它以計算機系統和專用設備為工具，利用模型對實際或設想的系統和過程進行模擬，是支撐產品研發的重要手段。
航空發動機正向研發是一項復雜的系統工程。傳統的航空發動機研制通常依靠實物試驗暴露設計問題，采用“設計-試驗驗證-修改設計-再試驗”反復迭代的串行研制模式，造成研制周期長、耗資大、風險高。未來航空發動機技術復雜程度和性能指標要求越來越高，產品研發難度顯著增大，研制進度愈加緊迫，傳統的研發模式已難以滿足發展需求，需要實現從“傳統設計”到“預測設計”的模式變革，而仿真是助推航空發動機研發模式變革的重要手段。
航空發動機仿真融合了先進航空發動機設計技術和信息技術的最新成果，是在計算機虛擬環境中，實現對航空發動機整機、部件或系統等的高精度、高保真多學科耦合數值模擬。通過仿真，可深化對航空發動機內部運行本質和規律的認識，提前暴露可能出現的故障、發現設計缺陷，大幅提高研制效率和質量，減少實物試驗反復，降低研制風險和成本，加快研制進程。
航空發動機的仿真對象包含氣動/燃燒/結構/強度/材料等學科領域維、部件/子系統/系統等產品結構層次維，以及設計/試驗/制造/維修等全生命周期維等對象。
展開 
氣動仿真助推渦軸發動機型號研制全面加速
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。
葉輪機流場/性能仿真
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。
展開 整機全三維仿真技術加速航空發動機研發
整機全三維仿真技術作為加快航空發動機研發的數字引擎，可在虛擬數字空間實現發動機整機全三維性能高精度快速預測，解決發動機整機匹配問題，縮短研發周期、降低研制風險和成本，實現從傳統設計到預測設計的模式轉變，加速航空發動機研發進程。
圖1 項目研究方案
傳統航空發動機的研制采用的是“設計、試驗驗證、修改設計、再試驗”反復迭代的串行研制模式，特別是整機性能更是需要通過大量的試驗進行驗證，這將導致驗證周期長、試驗成本和風險高，無法滿足當前航空發動機快速研制的需求[1,2]。目前，整機性能評估方法主要停留在一維階段，各個部件之間的參數傳遞精度、維度都比較低，極大地影響了發動機整機性能參數的準確評估[3]。隨著計算流體力學（CFD）技術和信息技術的快速發展，發動機整機全三維仿真已經成為可能，該技術可預測發動機穩態條件下的整機性能、預估部件之間匹配工作狀態、指導部件之間一體化設計、為部件設計提供技術依據。同時，整機仿真工作有助于促進航空發動機整機研發從一維向三維設計發展，極大地提高航空發動機總體設計精度和水平，進一步完善航空發動機設計體系。
研究方案
為快速形成整機全三維仿真能力，加快推進整機仿真技術在發動機工程研制中的轉化運用，急需做到提高仿真精度和加快仿真進度。為此，創新團隊按照航空發動機正向研發的思路，提出了航空發動機整機CFD仿真方法研究方案，如圖1所示。一方面，為提高整機仿真精度，通過開展整機復雜模型建模方法、網格生成技術、高精度求解算法等方法研究，形成一套適合工程使用的整機仿真方法與工具；另一方面，為加快仿真進度、縮短整機仿真周期，開發了一套標準化的整機仿真平臺，優化仿真流程、集成核心算法、固化仿真經驗，最終建立整機全三維仿真設計體系，以支持航空發動機快速研制。
展開 兩機仿真丨624所：整機全三維仿真技術加速航空發動機研發
整機全三維仿真技術作為加快航空發動機研發的數字引擎，可在虛擬數字空間實現發動機整機全三維性能高精度快速預測，解決發動機整機匹配問題，縮短研發周期、降低研制風險和成本，實現從傳統設計到預測設計的模式轉變，加速航空發動機研發進程。
傳統航空發動機的研制采用的是“設計、試驗驗證、修改設計、再試驗”反復迭代的串行研制模式，特別是整機性能更是需要通過大量的試驗進行驗證，這將導致驗證周期長、試驗成本和風險高，無法滿足當前航空發動機快速研制的需求[1-2]。目前，整機性能評估方法主要停留在一維階段，各個部件之間的參數傳遞精度、維度都比較低，極大地影響了發動機整機性能參數的準確評估[3]。隨著計算流體力學（CFD）技術和信息技術的快速發展，發動機整機全三維仿真已經成為可能，該技術可預測發動機穩態條件下的整機性能、預估部件之間匹配工作狀態、指導部件之間一體化設計、為部件設計提供技術依據。同時，整機仿真工作有助于促進航空發動機整機研發從一維向三維設計發展，極大地提高航空發動機總體設計精度和水平，進一步完善航空發動機設計體系。
研究方案
為快速形成整機全三維仿真能力，加快推進整機仿真技術在發動機工程研制中的轉化運用，急需做到提高仿真精度和加快仿真進度。為此，創新團隊按照航空發動機正向研發的思路，提出了航空發動機整機CFD仿真方法研究方案，如圖1所示。
展開 液體火箭發動機噴管仿真模型
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文章導讀
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01
研究背景
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火箭發動機噴管是進行能量轉換并產生推力的重要部件，對其流場進行仿真分析是優化噴管設計和控制流動分離過程的必需環節。因為火箭發動機常用的拉瓦爾噴管結構簡單，所以在計算流體力學（CFD）廣泛應用的今天，對這種簡單結構內流場的仿真似乎已經不成問題，流行的CFD軟件幾乎都可以“輕松地”算出噴管中的參數變化。但是在真正的噴管優化設計中，必須認真考量所采用的仿真模型，因為計算結果的偏差勢必會影響后續的設計過程。
仿真是通過數學方法模擬真實世界，其“保真”過程有兩個環節，首先是數學模型是否真正反映了物理過程，其次是求解數學模型的過程是否準確。
展開 數值仿真技術在航空動力研制中的地位和作用
針對先進航空發動機的技術發展需求，提出了航空發動機數值仿真技術的定義和內涵。從專業、學科、空間、時間、工具等方面給出了航空發動機數值仿真技術的五個維度，從促進航空發動機研制模式轉變等方面分析了其戰略地位和作用。通過國外典型研究計劃和實例分析了國內外發展現狀，指出了我國在該技術領域的主要差距。提出要充分認識數值仿真技術在航空發動機研制中的重要地位和作用，盡快建設和發展屬于我國自己的航空發動機數值仿真系統，建設面向全行業的“航空發動機數據庫”。
1 數值仿真技術的內涵和需求
1.1 數值仿真技術的內涵
航空發動機數值仿真技術是指按照先進軍民用航空發動機研制的需求，以先進航空發動機整機、飛/發一體化復雜系統和流-固-熱多學科綜合數值仿真為特點，以開發具有自主知識產權的仿真系統和專業仿真軟件為重點，結合商用仿真軟件的應用校核和二次開發升級，以整機復雜系統的全流程、全構件、全參數精細準確校核驗證為基礎，依托高性能計算和虛擬現實等先進信息化技術，由仿真軟硬件支撐環境（包括高性能計算和虛擬現實系統）、航空發動機數值仿真系統、仿真綜合驗證試驗平臺等部分組成的先進航空發動機數值仿真與驗證支撐技術體系。總之，航空發動機數值仿真技術的核心就是利用先進計算機技術，基于多學科耦合對航空發動機整機或部件進行高精度高效率的數值模擬計算。
航空發動機數值仿真技術是計算流體力學、計算結構力學、虛擬現實、人工智能、大數據等最新科學研究和計算機信息技術在航空發動機上的綜合應用[1]。
展開 航空發動機360度整機數值模擬——超算助力工業仿真邁向系統級高保真時代
背景
數值模擬已廣泛應用于航空發動機的設計和研制領域，數值模擬技術的應用可以有效地提高設計精度，減少實驗迭代次數和開發成本，縮短開發周期，提高研究效率和質量。
目前在航空發動機領域，部件級仿真技術經過多年發展已經非常成熟，有效促進了航發部件的設計。然而時至今日，航空發動機整機的仿真依舊面臨較大挑戰。
首先整個航空發動機包含風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪等多個部件，使得整機仿真對網格和計算規模的要求遠超以往；其次，部件復雜幾何、高速相對運動以及無處不在的多尺度流動，對網格功能與性能提出苛刻的要求；第三，核心能量轉化部件燃燒室內多相、噴霧、燃燒、傳熱、聲學等多物理化學過程強烈耦合，給求解器開發帶來極大難度。最后，上述三點導致航發仿真求解器在大規模并行時難以獲得令人滿意的并行效率，從而無法真正利用超級計算機資源。
應用概述
我們開創性地在“神威·太湖之光”超級計算機上基于swOpenFoam完成發動機整機模擬。如圖1所示，目標發動機由2個軸、2級風扇、10級壓氣機、一個短環形燃燒室，和7級渦輪組成。
網格總量在業界首次達到
50億
，
并行規模達到
65336個MPI進程
，
強擴展性測試中66560核相對8320核
并行效率保持在80%以上
。在“神威·太湖之光”上投入的
總核數為400萬核
，持續運算性能高達
1384 DP-GFLOP/s
。
圖1 目標渦輪風扇發動機模型
挑戰
1
航空發動機仿真并行規模和問題規模難以增長
航空發動機仿真并行規模和問題規模難以增長有多方面的原因。
展開 AVL EXCITE用于車輛降噪的發動機仿真
圖4 用于探究發動機NVH 改進潛力的數值仿真簡要框圖
利用有限元模型和計算所得激勵力，可計算得到發動機基本結構在不同工況下的動力學行為，如：不同頻段的表面速度彩圖，發動機懸置的速度和位移，曲軸行為，半球空間噪聲輻射等。
針對得到的關鍵問題，可修改結構和/或激勵，調整仿真模型并重新計算動力學行為。這些“優化循環”可理想地趨向確定目標，如圖4 所示。
依靠嚴格的邊界條件，如發動機設計參數和計算獲取的激勵，基于有限元分析的發動機NVH 改進潛力的探究，基本上大約需10 人月的工作量，參見圖4。采用“并行過程”，即通過開發過程中的并行合作可有效縮減工作量。
圖5 顯示計算得到的一8 缸轎車用發動機的表面振動級。“強迫振動”計算結果清楚顯示了預測的高噪聲輻射的關鍵區域。然后提出降低振動級和輻射噪聲的設計和/或激勵的修改方案。仿真目標就是最終獲得外表面振動級均勻分布的結構。
圖5 計算得到的8 缸轎車發動機的倍頻程(1000Hz)表面振動級(dB)
發動機有限元結構優化仿真是當前的常用技術，并集成于發動機的開發過程中。要完全并行執行“設計”和“有限元NVH 仿真”，理論上仍比較困難，因為“設計完成”是建立可靠仿真模型的“必不可少的條件”。當前，利用有限元仿真工具的改進進程一般從“設計完成”開始，即： NVH 仿真的工作階段一般與第一臺樣機制造并行開始。
3 行駛噪聲模擬
近來AVL 進行了廣泛的研發工作，開發出基于發動機、進排氣噪聲源的車輛行駛噪聲的仿真方法[4]。使用該新方法，可在首個車輛原形制造前預測車輛模型發出的噪聲。
使用基于邊界元分析的數值工具，可仿真計算車輛行駛噪聲。圖6 顯示了由發動機噪聲導致的一輕卡的行駛噪聲級的計算結果。所使的邊界元模型定義了6000個線性單元。
展開 
AMESim軟件在液體火箭發動機
031-AMESim軟件在液體火箭發動機系統動態仿真上的應用.part1.rar
031-AMESim軟件在液體火箭發動機系統動態仿真上的應用.part2.rar
AMESim軟件在液體火箭發動機
系統動態仿真上的應用
潘輝，張黎輝
（北京航空航天大學宇航學院北京100191）
摘要：根據模塊化建模思想和通用仿真要求，利用AMESim 中的AMESet 平臺二次開發
出了發動機系統通用仿真模塊庫，并對不同類型發動機系統的動態特性進行了仿真。研究結
果表明，建模過程簡單明了，操作性及通用性強。通過計算結果與試車曲線對比，驗證了所
采用仿真方法的合理性和正確性。所做的工作為今后液體火箭發動機通用仿真研究打下了良
好基礎。
展開 航空發動機整機流固熱耦合仿真
隨著計算流體力學的發展以及計算性能的提升，對航空發動機整機仿真成為了可能，本教程對KJ66航空發動機進行整機仿真，整機仿真結合氣動、傳熱、燃燒、多相流、固體應力，將航空發動機從冷態計算至熱態，即仿真始于冷態，終于熱態。
KJ66航空發動機幾何模型如圖，對航空發動機氣熱彈耦合仿真，計算采用穩態，氣動的計算采用求解粘性N-S方程的方法，燃油的噴射計算采用拉格朗日多相流，燃燒的計算采用有限速率的渦耗散模型，流體與結構的相互作用(FSI)采用雙向耦合的方式。
流體結構相互作用 (FSI)是指一種耦合的表面問題，其中流體模型的狀態取決于結構模型的狀態，反之亦然。這種相互關系可以是對稱或非對稱的。非對稱問題通常指單向耦合問題，表示其中一個模型是獨立的，另一個模型則具有關聯性。
流體結構相互作用(FSI)耦合交界面處的對應流體和固體移動時運動學特性（位置、速度和加速度）相同，受到的力也相同。
從流體傳遞到固體的信息是流體拉力，它由流體壓力和壁面剪切應力組成的。此傳遞發生在耦合壁面邊界流體-結構交界面）上。
從固體傳遞到流體的信息是固體的變形，尤其是流體-結構交界面的變形。
一般情況下，FSI模擬在運動學和力方面保持一致，稱為雙向耦合，在STAR-CCM+中，雙向耦合FSI問題是指從流體到固體和從固體到流體的交換的綜合采用并行求解方法。
進行航空發動機整機氣熱彈耦合仿真的STAR-CCM+版本為STAR-CCM+ 2206.
將航空發動機整機從冷態模型計算至熱態模型后發動機伸長約1mm。
詳細計算結果如下：
速度
溫度
溫度
位移
固體應力
文章來源：STAR CCM仿真學堂
展開 【技術貼】AVL FIRE? M：從噴嘴內流到發動機缸內過程——考慮多組分燃料閃急沸騰的完整仿真分析方案
圖3：AVL FIRE? M軟件界面
對于多組分閃急沸騰噴嘴流動仿真建模，應激活Multiphase模塊，并在Mass Interfacial Exchange界面選擇Multi-component flash boiling模型，如圖4所示。
圖4：AVL FIRE? M 中關于多組分閃急沸騰的設置界面
各種液相組分和氣相組分的屬性對于閃急沸騰仿真來說是至關重要的，需要能夠在仿真中正確考慮。AVL FIRE M為用戶提供了非常智能的材料數據庫（Property Database，簡稱PDB），其中包含非常豐富的材料，這些材料可以非常方便的組合成各種替代燃料，如圖5所示。
圖5：AVL FIRE? M中用于多組分閃急沸騰仿真的材料屬數據庫（PDB）
3
AVL FIRE M中從噴嘴流動仿真到發動機缸內過程仿真的完整分析流程
基于對發動機中存在的閃急沸騰現象的了解，燃油噴射過程的物理現象、噴油器幾何結構等參數都起關鍵作用并影響燃燒和發動機排放。AVL FIRE M是一種非常獨特的工具，可以通過非常簡單的方式將噴嘴流動仿真和發動機缸內過程仿真進行組合。圖6顯示了仿真的步驟。第一步，采用多相流模塊進行噴嘴流動仿真，將每個噴孔出口位置處的流動信息進行記錄，并生成nozzle文件；然后，在第二步中，采用拉格朗日噴霧進行缸內過程仿真，第一步中生成的nozzle文件將被用作發動機缸內過程仿真的邊界條件。
圖6：AVL FIRE? M從噴嘴流動仿真到發動機缸內過程仿真的仿真分析步驟
噴嘴流動多相流仿真中生成的nozzle文件中，按照設定的時間間隔，記錄了所有流動變量的詳細信息。圖7展示的是nozzle文件的標題部分，包含設置區域的詳細信息和流動變量。
展開 航空發動機整機三維氣動仿真研究進展
現有的整機全三維仿真技術各有其優劣勢，后續的技術發展需要在仿真資源、精度和技術難度等方面統籌考慮。
在部件設計完成后，雖然通過了部件級的仿真驗證，但仍須進行大量部件級和整機性能試驗，以確保單個部件及整機的性能滿足一維設計要求。這種部件級和整機試驗周期長、費用高，若測試得到的性能不滿足設計要求，須重新進行詳細設計，導致設計過程反復拖延進度，迫切需要發展整機三維氣動仿真技術。
整機全三維仿真技術概況
計算流體力學（CFD）發展至今，在數值算法、模型和仿真工具等方面均取得了重大突破，加之高性能計算的普及應用，使得對發動機整機進行三維氣動仿真成為可能。通過整機仿真可以提高發動機整機設計精度和水平，大幅縮短設計周期，具體表現在以下兩個方面。
第一，模擬整機在復雜環境或極端條件下的性能。通過整機全三維仿真，可以了解整機匹配下發動機的流場細節，如發動機各種間隙流動情況、部件間匹配情況、冷卻空氣的分配情況等，也可以驗證當某個部件部分缺失、超溫或超速情況下的整機全三維性能，以及發動機在高空低雷諾數的整機全三維性能。
第二，輔助整機試驗設計，部分替代試驗。整機仿真的結果可以指導發動機整機試驗的探針布局，以便提高測試效率及有效性、降低整機試驗風險，縮短整機試驗周期。
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