航空发动机燃烧室参数化建模

0引言

随着航空发动机性能的不断提高，对燃烧室的要求愈加苛刻，传统设计方法很难满足现代航空发动机燃烧室的设计要求，迫切需要引入现代设计方法，以实现更成功的设计并缩短设计周期，设计-分析一体化(CAD-CAE)方法应运而生。该方法的一般策略是：采用通用造型软件（如UG 、CATIA 等）进行实体建模，导出1个中间通用格式(STEP,IGES 等)的文件，然后再用网格划分软件（如ICEM 、GAMBIT 等）读取前面所建合适的实体模型文件进行网格划分，或者直接在上述带有造型功能的网格划分软件中进行实体建模和网格划分工作，做完所有的前处理后再用CFD 软件进行流场计算。

本文针对航空发动机燃烧室开发了专用的CFD 前处理软件。

1CFD 前处理的意义

在CAD-CAE 设计方法中，实体建模和网格生成要占CFD 分析中人工时间的80%[1]，而且专业性很强，即实体建模和网格划分成为CAD-CAE 现代设计方法中的1个瓶颈。这个问题由Samareh [2]正式提出，剑桥大学CFD 实验室的W.N.Dawes 等针对这一问题，提出通过修改不良几何形面以满足网格自动生成所需条件，并且开发了一些半自动的工具[3]，但仍需较多依赖实践经验，其研究主要针对通用的CAD 模型，希望能够找到1种CAD 模型快速转换到网格的通用方法，难度相当大。出于工程应用考虑，一些科研人员改变策略，针对某一特定模型开发出专用的CFD 前处理工具。例如李中云等人开发了风机的参数化建模-网格组合的专用模块，将参数化设计系统与GAM BIT 捆绑起来，用户输入模型结构参数后，程序

航空发动机燃烧室参数化建模

石梦华，赵坚行，颜应文，徐

榕

（南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016）

摘要：实体建模和网格生成在ＣＦＤ中占重要地位。针对航空发动机燃烧室开发了专用的ＣＦＤ前处理软件，主要包括参数化的燃烧室３维建模程序，提供从构建模型到生成网格的有效途径，可快速完成燃烧室ＣＦＤ的前处理工作，从而有效提高燃烧室的设计效率，缩短研制周期。此外，还利用ＵＧ２次开发语言ＵＧ／ＯｐｅｎＧＲＩＰ编制了数据转换程序，实现了本参数化设计软件和其他ＣＡＤ软件（ＵＧ）的数据共享。

关键词：航空发动机；燃烧室；参数化设计；实体建模；ＣＦＤ

Aeroengine Combustor Parametric Modeling

SHI Meng-hua,ZHAO Jian-xing,YAN Ying-wen,XU Rong

(School of Power and Energy,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016,China)

Abstract:Solid modeling and grid generation played an important role in CFD.The dedicated CFD preprocessor for aeroengine combustor was developed,including three

dimensional modeling software of parametric processor to provide the efficient paths from modeling to grid generation,which could finish the preprocessing of CFD quickly.This preprocessor was able to achieve the goal of product quality improvement,design cost reduction and development time dramatic reduction.In addition,a data conversion program based on UG /Open GRIP language was developed,which was able to share and exchange data between this parametric design software and other CAD software (UG).

Key words:aeroengine;combustor;parametric modeling;solid modeling;CFD

第37卷第5期2011年10月

Vol.37No.5Oct.2011

航空发动机

Aeroengine

石梦华（1985），男，在读硕士研究

生，研究方向为航空发动机燃烧室数值仿真。

收稿日期：2011-03-

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航空发动机第37卷

将启动GAM BIT程序，自动进行实体建模、网格划分和边界条件设定等，最终可以输出网格文件，用于CFD计算[4]。吕煊等人则进一步将CFD软件也整合到设计系统中[5]，利用了商业软件GAMBIT与FLUENT 中jounal[6]功能结合Windows操作系统的批处理功能实现参数化设计，在整个设计过程中,将GAM BIT与FLUENT作为1个模块，在不调用图形界面的情况下，将GAM BIT的输出参数作为FLUENT的输入参数，并将在FLUENT中后处理的结果作为目标函数。给定了输入参数后，中间的几何建模、网格生成与CFD计算直至输出后处理结果均自动完成。

上述研究虽不属于航空发动机领域，但其高效的前处理方法值得借鉴。目前在CFD应用领域还缺乏专用于航空发动机燃烧室的高效前处理工具。开发燃烧室专用的CFD前处理工具，提供从构建模型到生成网格的有效途径，快速完成燃烧室CFD的前处理工作，能够有效提高燃烧室设计效率，缩短研制周期。

2参数化设计系统

在传统设计过程中，对于每个新产品都需要重新实体建模，然后对模型进行数值模拟，不断地修改，最后定型，设计周期较长。

参数化设计通过修改图形中的某一部分或某几部分的尺寸或修改已定义好的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动(即参数驱动),便于用户修改和设计。用户在设计轮廓时只需将零件的关键部分定义为某个参数，通过对参数的修改来实现对产品的设计和优化。

燃烧室内部构造具有大量相似的特征参数，具有继承性和连续性。因此，在燃烧室设计过程中，使用参数化设计能充分利用已有资源,从而提高工作效率。

实现参数化设计具有多种策略，可利用现有的专业软件对其进行2次开发，也可直接利用通用语言编写代码建立模型并画出网格。本文采用后1种策略，开发专用于航空发动机燃烧室的参数化建模程序，其建模和网格生成效率较高，且具有完全自主知识产权。

2.1系统总体架构

针对现有CAD设计系统特点及CFD应用中所存在的问题，设定系统功能如下。

（1）3维可视化。随着计算机硬件技术的不断提高和数字化3维设计技术的成熟，现有流行的CAD 软件全部实现了3维建模功能，因此本系统也立足于这一基本技术起点，实现模型动态的3维显示与操作。用户通过直观的3维模型，对所设计的产品结构与功能的理解更为深刻，为实现成功的设计提供了基本保证。

（2）完善的建模能力。参考现有CAD软件的建模模块，把能够建立任意复杂3维模型作为开发目标，本设计系统具备所有基本3维图的绘制能力，以及一些较复杂图形生成能力，保证能完整地描述航空发动机典型零部件外形结构。

（3）快速智能的建模过程。针对航空发动机燃烧室及相关零部件的结构特征，将特定部件的外形结构尺寸进行参数化链接，使生成的模型能够实现尺寸驱动，通过修改其中的某一尺寸，即可立即更新模型形状，而无需进行繁琐的修改甚至是重新建模，显著提高特定部件的建模效率与质量。

为满足以上功能要求，系统采用Visual C++在Windows平台上进行开发，利用OpenGL作为开发工具来完成图形的绘制和渲染、光线和环境的设置。

确定建模程序的工作机理：首先编写描述燃烧室几何外形的脚本文件（含有参数信息）；然后由建模程序解释该文件，并依次执行其中的各条命令，调用几何库并最终在窗口中显示3维模型。若需要更改几何外形，只需修改脚本中的参数值，程序便能快速重新生成3维模型并加以显示，从而实现参数化建模。

本系统的脚本格式参照Gambit jounal脚本，建立1套合理的脚本语言，具备描述1个实体模型需要点、线、面、体等基本元素，此外加入控制模型几何外形需要的参数信息，并与Gambit的脚本兼容，以便实现模型能顺利导入Gambit进而划分网格。程序通过解释脚本来执行操作，所有设计信息都包含在脚本当中，包括所有几何描述和网格信息等。脚本中的参数由设计者给出，当相关参数设置完成后，运行程序，程序逐一解释脚本，执行相关操作，最后生成设计者想要的几何模型。设计者可以对在屏幕中显示3维模型进行各种交互操作，包括缩放,旋转等。基于UG/Open GRIP语言，设计1个数据转换接口，将本系统的脚本自动转换成GRIP程序，经编译即可在UG中打开设计模型，实现2个系统间的数据共享。

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