CFD案例5-发动机仿真

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1、ANSYS对航空工业解决方案（三）航空发动机仿真方案_2发表时间：2008-10-23  作者:安世亚太  来源:安世亚太关键字: 航空航天 CAE 仿真 解决方案 ANSYS 安世亚太 第三章航空发动机仿真方案航空发动机行业概况航空发动机研制中的典型CAE问题航空发动机结构力学计算需求及ANSYS实现航空发动机流体力学和温度场的计算需求及ANSYS实现航空发动机电磁场计算需求及ANSYS实现航空发动机耦合场计算需求及ANSYS实现航空发动机关键零部件的设计分析流程简要说明　  4航空发动机流体力学和温度场

2、的计算需求及ANSYS实现   航空燃气涡轮发动机内的流场很复杂，不仅动静流场同时存在，同时还伴有多相流、传热、燃烧等现象，即使从物理上进行很大的简化，模型最后仍然是三维、有粘、非定常的可压流动。航空发动机流场数值计算的发展经历了S2流面法、基于一元管道的流线曲率法、有限差分方法求解非正交曲线坐标系中的S1、S2流面基本方程、有限差分、有限体积和有限差分与流线曲率混合的方法对S1流面跨音速流场的计算，而现在由S1与S2流面相互迭代形成的准三元和全三元计算也发展起来了。现在的采用有限体积法求解NS方程全三维流

3、场计算已经广泛采用，航空发动机的流场数值计算已趋于成熟，可以充分考虑旋转流动、转静干涉问题、多相流、燃烧、亚超跨音速等复杂现象。而且现在求解的规模也不断扩大，利用并行等成熟的CFD技术可以计算达几千万甚至上亿的计算网格。因此结果也更为真实有效。   ANSYSCFX凭借TASCFLOW在叶轮机旋转流动的传统优势，结合更为先进的网格处理技术和高效的求解器，更适合航空发动机流动的复杂性，求解问题的规模和计算精度大大提高，一直处于航空发动机流动模拟的最前沿。    4.1.进气道及风扇气动分析   CFX对进气道

4、和风扇的模拟主要是研究进气道存在摩擦、激波和分离等产生的损失，风扇效率。在亚音速时进气道的工况，在超音速时的工况，并精确计算附面层及分离损失。并研究进气道在非设计工况下性能的恶化情况。还可以模拟在非定常情况下进气道及其风扇的气动特性。    4.2.压气机流动分析   航空发动机的压气机分为轴流压气机和离心压气机。其分析原理相似。这里以轴流压气机为例进行说明。压气机的作用主要是利用涡轮发出的功对气体进行压缩形成高压的气流供给燃烧室。   压气机非常近似于绝热的，所以压气机对气体所做的功等于气体总焓的增加。压

5、气机的几个关键参数，首先是压气机效率和级效率，也就是给定增压比所需理想功与实际所需功之比。然后还有单级的增压比和总增压比。轴流压气机的级是压气机中能量交换的基本单元。轴流式压气机由各级动叶和静叶交替串连在一起组成叶栅通道，常称为压气机的通流部分，是压气机的核心，是气动计算的主要对象。   航空发动机对压气机及其级组提出的基本要求是高的效率值、级的数目少、最小的质量和外廓尺寸的情况下，保证给定的增压比，以及结构简单、可靠，具有高的生存能力，适检性和适修性好，使用维护简便。    4.2.1.单级压气机气动计算

6、   单级压气级气动分析主要是指工作轮（动叶）前、后和导向器（静叶）后面取一个与回转轴线垂直的截面作为参考界面。基于包含的两排叶栅中，动叶栅以圆周速度u运动，静叶栅则是静止不动的，研究动叶栅采用旋转坐标系更为方便。在CFX中使用MFR多重旋转参考坐标系来模拟旋转运动。提高基元级的增压能力主要通过增大动叶的周向速度u和增大气流流经动叶栅时的扭速。现代的压气机叶尖速度已经达到500m/s甚至更高，使得流场出现激波，增加了流场模拟的复杂性。   利用CFX可以模拟压气机基元的亚、跨、超音速流动，并模拟转静干涉的情

7、况。计算单级效率。通过改变相应的叶型参数研究提高压气机单级效率的方法。分页    4.2.2.多级压气机气动计算   航空发动机的压气机应在宽广的工作范围内，具有良好的特性。由于航空发动机的多状态性、结构形式的复杂性和很高的工作过程参数值等原因，使得压气机所需要的使用工作范围扩大。在非设计状态下，压气机级组中发生严重的级间不匹配，导致这些参数变差（效率降低、增压比与空气流量下降），尤其危险的是，在某些级中出现使压气机进入不稳定工作的气流。通过合理选择压气机结构形式和设计参数（正确选择级组数目、单级负荷等）得

8、到改善，也可以通过广泛采用各种调节方法达到改善。   多级压气机最主要的气动问题就是各级流动是否匹配，总的效率是否达到设计要求。利用CFX可以重复验证各级匹配的情况，找到影响压气机效率的症结所在。   图3-4-5是对西门子公司某发动机15级轴流压气机的气动分析，包括进口导流叶片，同时有15级转子，15级静子。网格规模为3200万节点。计算结果与试验符合得很好。   4.3.燃烧室流动分析   燃烧室主要作用是组