航空发动机性能仿真设计
航空发动机性能仿真
航空发动机性能仿真航空发动机性能仿真1、概述发动机是飞行器的心脏，其性能对飞行器的发展有着至关重要的影响。
传统的发动机总体设计，主要通过对原准机的研究和改进，并在详细设计中对各种部件性能试验和地面台架试车、高空模拟试验、飞行试验等整机试验来预测其性能，研制周期较长。
随着飞行器研制速度加快，传统设计模式已不能满足快速设计验证的要求。
自上世纪80年代中后期，欧美航空行业开始推行数字化研发体系，分别推出NPSS和VIVACE计划，旨在通过建立航空发动机协同开发平台，来减少发动机的研发周期和成本。
PROOSIS是2007年结束的VIVACE计划的重要成果之一。
它是一款面向对象的飞行器动力系统性能仿真软件，具有完善的动力系统零部件模型库，可用于各类航空发动机系统的建模仿真分析。
2、PROOSIS的优点丰富、开放并支持自定义的多学科模型库PROOSIS包含多个领域的组件库，各组件的源代码完全开放，用户不仅可以修改这些代码，也可以自定义特殊组件；因此，用户既可以应用软件自带的组件构建发动机系统，也可以通过继承或重新定义的方式创建特殊的组件来构建发动机系统。
完美的多学科耦合分析可以在同一个模型中综合分析控制、机械、电气、液压等耦合状况；从而使得用户可以将发动机的热力循环过程、控制系统、燃油和冷却系统的液力过程、电气系统等综合在同一个模型中进行综合分析，并能够将发动机模型嵌入到飞控模型中分析其性能对整个飞机的影响。
无需因果逻辑的面向对象编程语言EL各变量之间不是赋值格式的关系，而是函数关系，模型的通用性、复用性都更好；模型可以实现信息隐藏、封装、单重继承或多重继承等；因此，同一个发动机模型，可以根据已知参数的不同，进行不同的分析。
与外部程序的连接方便可调用FORTRAN、C、C++等，也可自动生成可复用的DLL和C++程序，还可导出供Matlab、Simulink直接使用，通过与Excel的接口还可以由表格驱动模型的运行，系统模型可以脱离PROOSIS的环境运行。
基于系统仿真技术的航空发动机性能优化研究
基于系统仿真技术的航空发动机性能优化研究随着工业化的快速发展，先进技术和系统仿真技术得到了广泛应用。
在航空工业中，系统仿真技术的使用已经成为了航空发动机性能优化研究中的一个重要手段，进一步推动了航空发动机技术的发展。
一、系统仿真技术的应用系统仿真技术是指运用计算机技术来建立一个实体系统的仿真模型，以便于在计算机上运行和测试，从而实现对该实体系统的模拟和分析。
在航空发动机性能优化研究中，系统仿真技术主要应用于以下方面：1.仿真测试航空发动机性能优化研究中需要进行大量的实验和测试，这需要耗费大量的人力和物力。
通过系统仿真技术，可以在计算机上对发动机进行各种模拟测试，为研究提供更加可靠的实验数据，同时节约成本和时间。
2.性能优化通过系统仿真技术，还可以对发动机进行优化设计，包括形状、材料、工艺等方面，从而改善发动机的性能。
与传统的试验方法相比，系统仿真技术具有更高的效率和精确度，可以在更短的时间内获得更好的设计方案。
3.可靠性分析在航空发动机性能优化研究中，还需要对发动机的可靠性进行分析和评估。
系统仿真技术可以对发动机进行各种试验，确定其故障模式和可靠性水平，并优化相应的设计方案，提高发动机的可靠性和安全性。
二、航空发动机性能优化研究的方法在航空发动机性能优化研究中，常用的方法包括以下几种：1.基于试验的研究基于试验的研究是通过实验和测试方式来研究发动机性能和优化设计。
这种方法耗费大量的人力和物力，而且容易受到环境影响，数据采集成本高，并且需要大量的装置和设备。
2.数值模拟方法数值模拟方法是通过数学模型对发动机进行模拟和计算，以获得发动机的各种性能参数。
这种方法可以快速获得数据，并且可以进行一些繁琐的试验操作，可以在更短的时间内获得精确的数据。
3.系统仿真方法系统仿真方法是将将试验数据和数值模拟方法相结合，通过引入数值计算和虚拟仿真技术来模拟和优化发动机性能。
这种方法具有更高的精度和效率，可以大大节约人力和物力，同时可以提供更准确的数据和分析结果。
航空发动机维修保障仿真系统设计与研究
航空发动机维修保障仿真系统设计与研究随着民航市场的不断扩张，航空发动机的使用量和服务质量要求也在不断提高，航空发动机维修保障成为一个至关重要的领域。
发动机是飞机的心脏，维修保障是保证飞行安全的基石。
而航空发动机维修保障仿真系统则是一种有效的工具，旨在模拟发动机的工作状态，通过数据分析预测排除故障，保障发动机可靠、安全、高效地运行。
一、系统结构航空发动机维修保障仿真系统在结构上可以分为三个模块：数据采集、仿真分析和决策支持。
其中数据采集模块采集发动机运行状态数据并进行预处理；仿真分析模块根据采集的数据进行仿真分析，得出发动机的状态信息；决策支持模块基于仿真分析结果提供维修保障决策。
系统整体结构如下图所示：二、系统功能数据采集模块在实际运行中，航空发动机会产生大量的运行状态数据，包括发动机振动、温度、转速等多种参数。
该模块主要负责对这些数据进行采集，存储于数据库中，作为后续仿真分析的基础数据。
数据采集模块应当具备高度的灵活性和精确性，其中数据采集的频率应对不同的参数做出相应的调整。
其中，温度等变化缓慢的参数应当采集频率低一些，而振动等变化快的参数应当采集频率高一些，以确保采集到尽量多的有效数据。
同时，数据的采集应当时时刻刻在进行，确保随时可以获取发动机的最新状态。
仿真分析模块仿真分析模块是整个系统的核心模块，该模块利用数据采集模块采集到的数据，结合虚拟仿真技术，对发动机进行完整的仿真模拟，分析发动机的状态信息。
在具体实现中，该模块主要包括以下几个方面：1、建模和仿真分析：根据采集到的数据，建立发动机的虚拟模型，进行仿真分析。
该方面需要掌握的技术包括：虚拟仿真技术、建模技术以及工程力学知识等。
2、状态预测：通过对发动机运行状态数据的分析，以及结合历史运行数据，预测发动机极限状态，避免由于意外降低发动机运行效率或出现故障。
3、状态检测：检测发动机状态信息，包括运行时间、温度、振动等参数，及时发现发动机的故障点，并根据数据分析给出具体方案。
航空发动机性能仿真研究
航空发动机性能仿真研究航空发动机是现代飞机的核心部件之一，其良好的性能与其它系统的联合配合，构成了飞机的高可靠性、高安全性的保障。
如何评估航空发动机的性能，是航空发动机设计、制造和使用过程中需要解决的重要问题之一。
而航空发动机性能仿真技术的出现，为解决这一问题提供了一个新的途径。
一、航空发动机性能仿真的基本概念航空发动机性能仿真是指通过数学建模和计算机模拟，对航空发动机各项性能参数进行预测和分析的一种技术。
航空发动机的各项性能参数包括：燃料消耗率、推力、飞行高度、风速、环境温度等等。
航空发动机的性能仿真技术可以有效地评估其在不同工作状态下的性能，为制定合理的设计方案和改进控制策略提供参考。
二、航空发动机性能仿真的发展历程航空发动机性能仿真技术的发展历程较为漫长。
最早的航空发动机性能仿真技术是利用简单的气动模型和计算机程序，对各项性能参数进行一定的预测和分析。
这种方法的精度较低，仅适合于预研和初步设计阶段的工作。
随着计算机技术的迅速发展和数值方法的研究，航空发动机性能仿真技术的精度不断提高。
现在航空发动机性能仿真技术已经成为工业界和学术界广泛采用的技术。
三、航空发动机性能仿真的几个关键技术（一）气动模型建立技术气动模型是航空发动机性能仿真的基本模型，其准确性和合理性对仿真结果的精度有着重要影响。
气动模型的建立需要考虑燃气流动和燃烧过程的影响，同时需要对其进行合理的参数标定和验证。
目前，对于新一代涡扇发动机，常用的气动模型是基于三维流体力学算法的全机模拟技术，这种方法能够有效地模拟复杂的流场现象，提高仿真精度。
（二）确定性建模技术航空发动机性能参数具有一定的随机性，因此在建立性能仿真模型时，需要将这种随机性考虑在内，即进行确定性建模。
目前，常用的确定性建模技术有贝叶斯推断方法、Kalman滤波方法等。
（三）参数标定与验证技术参数标定和验证是航空发动机性能仿真过程中的一个重要环节。
通过将仿真结果与实际测量结果对比，可以对航空发动机性能模型进行参数标定和验证，进而提高模型的精度和适用性。
面向对象的航空发动机性能仿真系统框架设计
２ ０ １ ３年 ８月
空Hale Waihona Puke 军工程大
学
学
报（ 自然 科 学 版 ）
Ｖｏ Ｉ ． １ ４ ＮＯ ． ４
Ａｕｇ ．２ ０１ ３
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＩ Ｒ Ｆ ＯＲＣ Ｅ ＥＮＧＩ ＮＥ Ｅ ＲＩ ＮＧ ＵＮＩ ＶＥ ＲＳ Ｉ ＴＹ（ ＮＡＴ ＵＲ ＡＬ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ ＮＣ Ｅ Ｅ Ｄ Ｉ Ｔ Ｉ ＯＮ）
ＤＯＩ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ — ３ ５ １ ６ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． ０ ０ １
中 图分 类 号
Ｖ４ ３ ０
文 献标 志码 Ａ
文 章编 号 １ ０ ０ ９ — ３ ５ １ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ — ０ ０ ０ １ — ０ ４
６ １ ０ ５ ０ ３ ； ３ ． 中 国燃 气 涡 轮研 究 院 ， 四Ｊ Ｉ Ｉ 江油 ， ６ ２ １ ７ ０ ３ ）
摘 要 基 于面 向对 象 的软 件设 计 思 想 ， 设 计 了一 种 灵 活、 通用 、 可 靠 的航 空发 动机 仿 真 平 台框
架 。将 仿 真平 台划分 成 了清 晰 的 ３个 层 次 ， 并在 每 一 层 下设 置 了相 应 的类模 型 ， 各 层 之 间 的数
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航空发动机的动态仿真分析与优化
航空发动机的动态仿真分析与优化随着工业技术的不断进步，航空工业也在不断发展壮大。
而作为航空工业中最关键的组成部分之一，发动机对于飞机的动力和性能起着至关重要的作用。
为了保证飞机的安全性、经济性和可靠性，航空发动机的设计和制造需要经过多方面的考虑和优化。
其中，动态仿真分析技术是一种非常重要的优化手段。
动态仿真分析是一种通过模拟运动系统在特定运动条件下的行为来预测其未来状态的方法。
在航空工业中，航空发动机的动态仿真分析可以通过建立数学模型来模拟飞机在不同工作条件下的动态响应和飞行性能。
通过这种方法，可以有效地优化航空发动机的设计和性能，提高飞机的安全性和经济性。
航空发动机的动态仿真分析需要考虑多方面因素。
首先，需要对飞机和发动机进行建模，建立起准确可靠的数学模型。
其次，需要进行数字仿真，模拟出发动机在各种工作条件下的状态和性能。
最后，需要通过仿真结果对发动机进行优化设计，以提高其性能和可靠性。
下面，将从这三方面介绍航空发动机的动态仿真分析与优化。
一、建立准确可靠的数学模型航空发动机是一个复杂的系统，需要考虑多种因素才能够建立准确可靠的数学模型。
航空发动机的数学模型通常包括多个子模型，包括流体力学、热力学、机械和电子等方面。
在建立数学模型时，需要采用精确的测量方法和数据，对各个子模型进行合理的组合和调整，以确保模型的准确性和可靠性。
二、数字仿真模拟数字仿真是航空发动机动态仿真分析的核心内容。
通过数字仿真，可以模拟出航空发动机在各种工作条件下的状态和性能。
数字仿真需要考虑多个因素，包括飞机的速度、高度、负载、温度、湿度、气压等因素。
而针对不同的因素，模型也需要进行相应的调整和优化，以确保仿真结果的准确性和可靠性。
三、优化设计通过数字仿真模拟，可以有效地优化航空发动机的设计和性能。
例如，在模拟不同工作条件下的发动机性能时，可以分析不同零部件之间的相互作用，进而对其进行逐一优化。
通过不断调整和改进模型，可以提高航空发动机的性能和可靠性，并且确保飞机的安全性和经济性。
航空发动机的设计与仿真研究
航空发动机的设计与仿真研究航空发动机是飞机的重要组成部分，其功能是提供飞机所需要的动力。
航空发动机的设计与仿真是一项非常重要的工作，它关系到飞机的性能和安全。
本文将探讨航空发动机的设计与仿真研究。
一、航空发动机的基本结构航空发动机的基本结构包括压气机、燃烧室、涡轮和喷气管。
其中，压气机负责将外界的空气压缩，使其进入燃烧室，在燃烧室中将燃料燃烧，产生的高温高压气体驱动涡轮旋转，最终通过喷气管将高速气流排放，提供推力。
二、航空发动机的设计要素航空发动机的设计要素主要包括推力、燃油消耗率、结构重量、寿命和噪声等。
推力是航空发动机的核心性能指标，燃油消耗率是反映航空发动机经济性能的指标，结构重量则对飞机的燃油消耗和载荷能力有着非常大的影响。
三、航空发动机的仿真技术航空发动机的仿真技术主要包括数字仿真和物理仿真。
数字仿真是指利用计算机等数学工具对航空发动机的结构和性能进行模拟和预测。
物理仿真则是利用实验室设备对航空发动机进行实物模拟和测试，以验证数字仿真的准确性。
航空发动机的数字仿真主要包括流场分析、结构强度分析和燃烧室热力学分析等。
流场分析可以用来研究气体在航空发动机内部的流动情况，燃烧室热力学分析则可以用来研究燃料燃烧过程中产生的高温高压气体对航空发动机的影响。
四、航空发动机的设计和仿真案例航空发动机的设计和仿真案例有很多，下面介绍几个典型的案例。
1、CFM56发动机CFM56发动机是航空史上最成功的商用喷气式客机发动机之一，它是由美国通用电气公司和法国航空发动机公司合作研制的。
CFM56发动机的设计和仿真采用了数字仿真和物理仿真相结合的方法，既保证了仿真的准确性，又能够尽快将发动机投入生产。
2、LEAP发动机LEAP发动机是美国通用电气公司和法国航空发动机公司联合开发的喷气式客机发动机，它采用了许多新技术，如复合材料制造、3D打印和数字仿真等。
LEAP 发动机的仿真设计工作主要由数字仿真工程师和流体力学专家协同完成。
航空发动机总体性能仿真平台的设计与实现
着 紧密的 机械 联系和 复杂的 热力气动 联系 ； 同时也是 一个 复杂的 流体 代数 方程， 因此 ， 只需要用转 子动力学方程直接替 换掉部 分平衡 方程 即 网络， 其压力和流 量之间存在着 耦合关系。 工质运动过程 遵守基本守衡 可。
定律 。 因此可以根据 这 些部件 的特 性建 立起 他们的 数学 模型 ， 通 过对 这些模 型进行组合从而实现 对整个系统的 仿真 。 下 面以风 扇／ 压 气机为 例， 介绍典 型部件 的基于特性 图的数学 建模方法【 ７ 】 。
初步评 估。
发动机 平衡方程 来进行检 验， 通 过ＮＲ 方法来 求解。 不同类 型的发 动机 需要 给出的初 猜值的数 量 和平衡 方程的 数量是 不同的 ， 因此需 要设计 人员针 对不 同结构形式 的发动机 编写特定的ＮＲ 方程求解 程序。 而本文 采用Ｄ ｙ ｍｏ ｌ ａ 软件 自带的优化模 块 ， 将求 解稳态非 设计点参数 的过程转 变为寻 找平 衡方程 残差最 小的优化过 程 ， 减 轻了设 计人 员的工作量 ， 提 高了设 计效率及模型的通用性 。 以双 转子混 排涡扇 发动机 为例 ， 若给定飞 行马赫数 、 飞行高度 、 风 扇转速 和喷 管出口面积 （ 对于 收扩喷 管为喉 道面积 ） ， 可取 下列七个参 数 为调 节参数 ： 低 压转子物 理转 速ｎ 、 风扇压 力比函数值ｚ 、 高压转子 物理转 速ｎ 高压压气机 压力比函数 值Ｚ 、 燃 烧室 出口 总温Ｔ ． 、 高压 涡
时使用这些耦合 系数来对 部件特性参 数进行修正 。 机通 用模 型库， 并搭建 系统级模 型， 对稳态非设计点进行 了 仿真。 结果 表 ２ ． ２ 基 于优 化工具 求解稳态非设计点 明， 仿真结果与实际情况的拟合较好， 说明利用该模型库， 能够快速搭建 起 传统 求解发动 机稳 态非 设 计点参数 时， 为了使各 个部 件的计 算能 针 对各 型 发 动机 的仿 真 系统 ， 在航 空 发动机 初 步设 计 阶段 具 有 重要 意 义和 够顺利进行 ， 需 要给 出一定 数量 的初猜值 ， 这些 猜值是 否正确 ， 需要用
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航空发动机性能仿真
1、概述
发动机是飞行器的心脏，其性能对飞行器的发展有着至关重要的影响。
传统的发动机总体设计，主要通过对原准机的研究和改进，并在详细设计中对各种部件性能试验和地面台架试车、高空模拟试验、飞行试验等整机试验来预测其性能，研制周期较长。
随着飞行器研制速度加快，传统设计模式已不能满足快速设计验证的要求。
自上世纪80年代中后期，欧美航空行业开始推行数字化研发体系，分别推出NPSS和VIVACE计划，旨在通过建立航空发动机协同开发平台，来减少发动机的研发周期和成本。
PROOSIS是2007年结束的VIVACE计划的重要成果之一。
它是一款面向对象的飞行器动力系统性能仿真软件，具有完善的动力系统零部件模型库，可用于各类航空发动机系统的建模仿真分析。
2、PROOSIS的优点
丰富、开放并支持自定义的多学科模型库
PROOSIS包含多个领域的组件库，各组件的源代码完全开放，用户不仅可以修改这些代码，也可以自定义特殊组件；因此，用户既可以应用软件自带的组件构建发动机系统，也可以通过继承或重新定义的方式创建特殊的组件来构建发动机系统。
完美的多学科耦合分析
可以在同一个模型中综合分析控制、机械、电气、液压等耦合状况；从而使得用户可以将发动机的热力循环过程、控制系统、燃油和冷却系统的液力过程、电气系统等综合在同一个模型中进行综合分析，并能够将发动机模型嵌入到飞控模型中分析其性能对整个飞机的影响。
无需因果逻辑的面向对象编程语言EL
各变量之间不是赋值格式的关系，而是函数关系，模型的通用性、复用性都更好；模型可以实现信息隐藏、封装、单重继承或多重继承等；因此，同一个发动机模型，可以根据已知参数的不同，进行不同的分析。
与外部程序的连接方便
可调用FORTRAN、C、C++等，也可自动生成可复用的DLL和C++程序，还可导出供Matlab、Simulink直接使用，通过与Excel的接口还可以由表格驱动模型的运行，系统模型可以脱离PROOSIS的环境运行。
适用于多种计算
可以用于发动机的设计点、非设计点计算、参数及敏感性分析、优化设计，稳态和瞬态分析都适用；
3、典型案例
对转式齿轮传动涡扇发动机
雅典理工大学基于PROOSIS开发环境搭建新型的对转式齿轮传动涡扇发动机（GTCRC）模型，并与传统的齿轮传动涡扇发动机（GTF）性能进行对比分析。
具体容如下：
首先，通过实验设备测试对转式转子特性，实验设备及测试结果如下图所示。
实验设备
测试结果
通过处理得到对转式压气机及涡轮的map图，并在传统压气机及涡轮的基础上二次开发形成对转式压气机及涡轮组件，如下图所示。
对转式压气机及涡轮模型
其次，基于TUOBO库中的压气机、涡轮、风扇、燃烧室、轴、齿轮箱等部件及新开发的对转式压气机及涡轮模型，搭建对转式齿轮传动涡扇发动机（GTCRC）及传统的齿轮传动涡扇发动机（GTF）模型，具体如下图所示。
对转式齿轮传动涡扇发动机及传统的齿轮传动涡扇发动机模型
再次，分析爬升（Top of Climb）、巡航（cruise）及下降（Take-Off）过程中，两发动机性能特性。
爬升（Top of Climb）、巡航（cruise）及下降飞行参数如下表所示。
两发动机性能比较结果如下图所示。
最后，分析得出如下结论。
•与传统的齿轮传动涡扇发动机相比，在相同发动机重量及阻力的情况下，对转式齿轮传动涡扇发动机在整个飞机飞行任务中油耗降低0.59%；
•与传统的齿轮传动涡扇发动机相比，在相同推力的情况下，对转式齿轮传动涡扇发动机，重量减少10%。
假设该推力下，传统的齿轮传动涡扇发动机净重
2吨，两个对转式齿轮传动涡扇发动机重量将减少400kg，将会带来0.52%的油耗减低，油耗总计将降低1.1%
•油耗敏感度分析结果如下图所示。
航空发动机仿真测试方案
针对飞机发动机系统从设计开发到试验验证全过程的解决方案，能够设计飞机发动机系统的整体架构、仿真分析和验证发动机系统的功能和性能需求。
解决方案的整体框架如下图所示。
解决方案框架
在管理计算机中，部署了多学科系统设计分析工具PROOSIS及专业的TURBO模型库，TURBO 库中包含超过70个发动机专业元件，如进气道、压气机、燃烧室、涡轮及喷管等，可用于建立涡喷、涡扇、涡轴、涡桨等各种发动机系统的模型，并进行参数化、敏感度分析、优化计算；设计点、非设计点计算；稳态、瞬态计算等，协助进行系统研发初期的动态性能指标确定并作为半实物仿真的环控系统对象模型。
PROOSIS完美的多学科耦合分析，可以在同一个模型中综合分析控制、机械、电气、液压等耦合状况；从而使得用户可以将发动机的热力循环过程、控制系统、燃油和冷却系统的液力过程、电气系统等综合在同一个模型中进行综合分析，符合航发的技术方向。
发动机系统模型
利用PROOSIS的Simulink接口，可将整个发动机系统模型导出Matlab/Simulink直接使用。
同时，PROOSIS可以自动生成C++代码，可以脱离工具本身的环境运行，因此可以无障碍地进行基于Higale、NI或Concurrent 的实时仿真和半实物仿真。
模型下载到simulink的界面
Simulink结合iHawk驱动程序将模型下载到iHawk仿真机，可用于发动机系统的控制算法的设计与验证，同时还用于后期开发时对发动机控制器实物的测试、验证及系统故障的模拟，从而为发动机系统开发全过程提供从算法到实物的研究、设计与验证平台。
通过PROOSIS的离线仿真、结合实时仿真等，可以确定飞机发动机系统的整体架构和具体的控制参数。
基于总体架构，可以建立整个发动机的三维模型，通过三维仿真等对发动机系统进行详细的设计、验证。
4、总结
PROOSIS专业的发动机设计分析的软件，广泛用于发动机等系统建模与性能仿真。
PROOSIS的TURBO模型库由欧洲航天领域的各大工业公司、研究中心和大学(雅典、Cranfield和斯图加特大学)的共同开发和验证，符合前沿的国际标准并具备广泛的模型适用性。
另外，PROOSIS模型库源代码开放，客户可灵活进行二次开发，对新型的发动机性能进行预测。
目前，PROOSIS是欧洲商业公司开发新型发动机的标准工具，并被国际主流的发动机公司作为其发动机性能分析的首选工具，如英国罗-罗，美国GE、普惠，德国MTU，法国Snecma等发动机公司。