流体网络方法在航空发动机中的应用

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    流体网络法是广泛应用于管道系统、润滑系统、液压系统，通风供暖系统、发动机空气系统、透平叶片冷却系统以及火力电站热工流体系统的一种独特的CFD方法。它是指将复杂的三维流动结构离散成由若干个一维流动元件组成的网络拓扑结构，对每个流动元件采用一维的经验关系式计算其流动与传热，然后全网联立求解，求得网络上每个元件的流量与换热量以及每个节点（相邻元件的连接点）的温度、压力等参数。

    1936年，Cross首先提到了应用系统求解方法来模拟管道网络的流动特性并探索稳态流体网络的模拟方法，这是最早的稳态流体网络模型。随后出现了基于流体网络法的大型热流体软件，如NASA的GFSSP以及著名的大型商业软件Flownex等。1973年GE公司开发了CompressibleflownetworkAnalysis(CFNA)，针对每种冷却类型的元件建立了动量控制方程组，然后进行整体串并联流路求解获得全网的压力分布。1989年Kumar等人在前人的基础上编制了一维稳态流体网络通用模拟程序CPF(cooling passage flow)，专门用于预测透平机械中冷却通道的流动和换热。但直到20世纪90年代初，流体网络的求解方法才真正趋于完善并应用到航空发动机二次空气系统的研究中，Kutz和Speer提出全新的非线性方程组的求解方法，并讨论了一些典型的二次空气系统元件的流动特征，通过将计算程序的计算结果与实验数据进行对比，结果吻合度高。

    国内燃气轮机领域对流体网络法的研究大部分是针对燃机的整个空气系统，其在网络控制方程中元件通常采用等截面假设，不考虑进出口动量的变化，限制了其在流路通道变化更剧烈的透平内部的计算精度。也有少数学者开展了直接针对透平内部冷气流动的流体网络法研究，郭文等发现流体网络方法可以较为准确地模拟出叶片内部冷却通道中的流量分配和压力、温度分布，以及冷气沿径向和弦向的压力损失。相比于空气系统领域，其网络控制方程考虑了元件截面积变化与进出口动量变化，但是只限于定常计算，且控制方程的推导依赖于理想气体状态方程，因此主要限于计算理想气体工质的流体网络。近年来，吴宏等利用流体网络方对二次空气系统的旋转通道和封严篦齿等关键部件进行了细致的研究，并对二次空气系统以及盘腔结构进行了一维非定常计算，取得了较好的结果。潘耘峰和刘建军采用流体网络方法分析了某E3发动机高压涡轮动叶的冷却结构，用三维计算确定流体网络的边界条件，并将计算结果与NASA文献中的数据进行了比较，证明了流体计算网络方法能够较好地预测各流路的流量、温度、压力等参数，能够用于叶片冷却结构的性能分析以及叶片冷却结构的初步设计。