航空发动机内流空气系统通用分析软件设计

　　1　引言

　　随着现代高性能发动机的发展,发动机空气系统功能逐渐增多,流路结构更为复杂,特别是涡轮前燃气温度的不断提高,使发动机热端部件的工作条件十分严酷,所以空气系统的计算就显得更加重要和迫切,需要发展更为先进、高效的空气系统计算技术。

　　从目前的资料看,国外航空发达国家在发动机内流空气系统计算领域已有相当成熟的计算技术[1, 2],一些发动机公司或者研究机构都拥有相应的航空发动机内流空气系统分析计算软件。如美国NASA的SSME[3], GFSSP[4, 5],但因其具有较高的工程价值而限制其对外输出。所以开发我国具有自主知识产权,且实用、高效的发动机内流空气系统分析计算软件就显得更加重要。

　　国内在该领域取得了一定的进展,一些科研机构已研制开发了用于发动机内流系统计算的程序,例如空气冷却系统计算程序ASCP[6]和AIRSYS[7]等,已在国内发动机设计、试制、改型和故障分析中得以应用。但这些计算程序仅是基于Fortran语言编写的计算机代码,无法实现系统自动建模,在网络计算的过程中需要人为建立系统网络的连接关系、元件编号、元件几何属性、计算边界条件等数据文件,这些数据文件的准备工作相当繁琐且容易出错。此外,国内的计算程序通用性不强,对计算人员的学科背景和工程经验的要求较高,一般工程技术人员较难掌握,大大降低了计算效率。随着先进发动机的发展,其已不能满足当前空气系统计算的要求。

　　本文发展了国内自己的一种全新的航空发动机内流空气系统通用计算软件。软件采用网络算法,将发动机内流空气系统分解成由相应的元件和节点组成的网络,用有限的元件和流动介质类型描述不同的发动机内流空气系统,提高了软件的通用性;软件解决了系统网络的自动辨识问题,从而实现了空气系统计算网络的可视化图形建模,在软件环境里建立计算网络直观而快捷,此外,软件对网络的修改也很方便,提高了软件的易用性;软件中的元件和空气系统中的典型结构一一对应,可以方便的对单个元件进行初始化，提高了软件的可靠性;软件不仅可以进行验证计算,也可以对空气系统进行设计分析,并有效地提高空气系统计算效率。

　　2　软件设计

　　2.1　软件整体设计

　　基于模块化的设计思想,将软件分为三部分:网络计算程序、图形建模和数据库。这三部分保持相对独立,又通过一定的方式相互联系起来,这样可以提高软件的可扩展性和可维护性。三个模块之间的相互关系及软件的整体流程如图1所示。

　　2.2　图形建模

　　图形建模是软件的可视化设计中最重要的一个环节。图形建模过程包括网络图形连接和网络自动识别。其中网络图形连接是在软件建模环境中将元件、节点连接成网络图形的过程。网络图形的连接只是一个外在的过程,其深层的意义则要由网络自动辨识来完成,即通过一定的算法找出网络图中元件、节点的连接关系,来实现工质流信息,如压力、流量、温度等参数的传递,从而将外在的图形网络转化为内在数据网络,为系统的网络计算做好准备。