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数值仿真技术在航空动力研制中的地位和作用 刘大响.pdf


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JournalofAerospacePower
ISSN1000-8055,CN11-2297/V
《航空动力学报》网络首发论文
题目:数值仿真技术在航空动力研制中的地位和作用
作者:刘大响,金捷,刘邓欢
DOI:.
收稿日期:2022-03-02
网络首发日期:2022-07-26
引用格式:刘大响,金捷,
[J/OL].:///
网络首发:在编辑部工作流程中,稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶
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发论文视为正式出版。
网络首发时间:2022-07-2610:02:19
网络首发地址:.

XXXX年XX月JournalofAerospacePowerXXXXXX
文章编号:1000-8055(XXXX)XX-0000-00doi:.
数值仿真技术在航空动力研制中的地位和作用
刘大响,金捷,刘邓欢
(北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100191)
摘要:针对先进航空发动机的技术发展需求,提出了航空发动机数值仿真技术的定义和内涵。从专业、学科、空间、
时间、工具等方面给出了航空发动机数值仿真技术的五个维度,从促进航空发动机研制模式转变等方面分析了其战略地位和
作用。通过国外典型研究计划和实例分析了国内外发展现状,指出了我国在该技术领域的主要差距。提出要充分认识数值仿
真技术在航空发动机研制中的重要地位和作用,尽快建设和发展属于我国自己的航空发动机数值仿真系统,建设面向全行业
的“航空发动机数据库”。
关键词:航空发动机;数值仿真;技术发展需求;发动机仿真系统;航空发动机数值仿真研究中心
中图分类号::A
Thepositionandfunctionofnumericalsimulationtechnologyinaero-engine
development
LIUDaxiang,JINJie,LIUDenghuan
(SchoolofEnergyandPowerEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China)
Abstract:Thedefinitionandimplicationofnumericalsimulationtechnologywereproposedbasedonthe
technicaldevelopmentrequirementsofadvancedaero--engine
numericalsimulationtechnologywerestudiedfromspecialty,discipline,space,timeandtools,whileanalyzing
thestrategicpositionandfunctioninpromotingthetransformationofaero-
disparityofnumericaltechnologyforaero-enginehomeandabroadwasdiscussedbyanalyzingthedevelopment

functionofnumericalsimulationtechnologyintheaero-enginedevelopment,andtobuildanddevelopourown
aero-enginenumericalsystemandindustry-wide"aero-enginedatabase"assoonaspossible.
Keywords:aero-engine;numericalsimulation;technicaldevelopmentrequirement;aero-enginenumerical
system;aeroenginesimulationresearchcenter
1数值仿真技术的内涵和需求件的应用校核和二次开发升级,以整机复杂系统
的全流程、全构件、全参数精细准确校核验证为

基础,依托高性能计算和虚拟现实等先进信息化
航空发动机数值仿真技术是指按照先进军民
技术,由仿真软硬件支撑环境(包括高性能计算
用航空发动机研制的需求,以先进航空发动机整
和虚拟现实系统)、航空发动机数值仿真系统、仿
机、飞/发一体化复杂系统和流-固-热多学科综合
真综合验证试验平台等部分组成的先进航空发动
数值仿真为特点,以开发具有自主知识产权的仿
机数值仿真与验证支撑技术体系。总之,航空发
真系统和专业仿真软件为重点,结合商用仿真软
收稿日期:2022-03-02
作者简介:刘大响(1937—),男,教授、博士生导师、工程院院士,主要从事航空发动机设计和研究工作。
通信作者:刘邓欢(1988—),男,博士后,博士,主要从事航空发动机燃烧室数值仿真工作。E-mail:******@
2航空动力学报第XX卷
动机数值仿真技术的核心就是利用先进计算机技3)航空发动机系统构成十分复杂,内部流-
术,基于多学科耦合对航空发动机整机或部件进固-热多学科高度耦合[8],在湍流流动、两相燃烧、
行高精度高效率的数值模拟计算。材料疲劳等机理尚未吃透情况下,无法实现有效
航空发动机数值仿真技术是计算流体力学、的建模和仿真。
计算结构力学、虚拟现实、人工智能、大数据等4)实物试验可以为虚拟试验模型的确认提供
最新科学研究和算机信息技术在航空发动机上的必要的大量数据和信息[9],还可以发现虚拟试验中
综合应用[1]。在现代先进航空发动机的研制全过程不能涵盖的机理问题。
中,计算机仿真模拟、理论计算分析和实物试验5)通过将实物试验与虚拟试验有机地结合,
验证,已发展成为三种不同的重要设计手段和工实现虚实互补、相互借鉴,螺旋式提升,可以不
具,三者紧密相联,互为补充,缺一不可,并贯断提高航空发动机的整体研制水平,更快更好地
彻于发动机设计、研制、使用、故检、维修和退实现研制目标。
役的全寿命周期之中。,要求仿
、全寿命周期覆盖

物试验向与虚拟试验并重的方向转变程,从管理科学角度而言,就包括项目管理和技
1)方案论证阶段:整机仿真技术,已经成为术管理两大过程,而其中项目管理过程又包括集
开展发动机方案筛选和优化的主要手段之一。成管理、计划管理、资源管理、沟通管理、质量
2)工程研制阶段:与实物试验数据相结合的管理、风险管理等;技术管理过程又包括技术规
零部件/系统性能仿真、多学科耦合仿真,以及整划、技术控制、技术评估、技术决策等。从项目
机总体性能/结构匹配/方案优化仿真,是完善设研制流程来看,以自主研发为基础的正向研制流
计、实现技术指标优化的主要方法。程包括方案论证、设计计算、工装/制造/装配、
3)全寿命周期:对于某些难以进行或不可能试验/试飞验证、使用维护保障等。从设计角度而
进行的实物试验,或者现有试验设备参数无法达言,又包括需求分解与定义、集成与验证等各阶
到的试验,以及难以复现的故障[2]或特殊工作状段反复的验证和确认过程,即所谓双“V”构架(如
态,采用以仿真为基础的虚拟试验,也可以说是图1)。这其中仿真技术始终贯穿研制的各个阶段
唯一可行的研究手段和方法。和流程,已经成为航空发动机自主研发全过程、
,互为补充,全周期不可或缺的必要手段。
不断提高研发水平
1)在许多实物试验中,测点数量少、某些部
位测不到、流线和分离看不到、动态变化分析不
清等等问题,在仿真虚拟试验中可以得到必要的
弥补[3]。
2)虚拟试验再好,但它也不能完全代替实物图1航空发动机正向研制流程示意图
试验,特别是结构强度[4],安全性[5]、可靠性[6]-engine
寿命[7]等,必须要通过实物实验考核,所以两者具总之,利用数值仿真技术,在新型航空发动
有很强的互补性。机初期设计阶段,对其设计方案进行仿真验证和
第XX期刘大响等:数值仿真技术在航空动力研制中的地位和作用3
优化,提高设计的“一次通过率”,为技术决策提elementanalysis,FEA)、虚拟现实(virtual
供支持;在发动机研制阶段,提供部件或整机性reality,VR)和高性能计算(highperformance
能参数分析,起到数值试车平台作用;在型号定computing,HPC)等各类通用和专用软件工具。
型阶段,给故障诊断分析提供技术支持。数值仿2数值仿真技术的地位和作用
真技术可以大幅度地缩短发动机的研制周期,提

高设计水平,降低研制费用,完善技术保障,推
随着计算流体力学、计算结构力学和计算机
动和促进航空发动机技术的加速发展,从而不断
仿真技术的发展,国外航空强国(尤其是美国)
提高我国航空发动机研制基础,缩短与美欧等航
引发了一场航空发动机设计模式的“革命”,基本
空大国之间的差距,为实现我国航空发动机从“传
实现了从“传统设计”向“预测设计”转变(如
统设计”到“预测设计”的战略转变奠定技术基
图2)。
础,是建设我国先进航空发动机技术支撑体系不
可或缺的重要环节和支持工具。

从不同的视角出发,可将航空发动机数值仿
真技术所涵盖的专业、学科、空间、时间、工具
等方面,概括为以下五个维度:
1)专业维度:航空发动机整机、部件和系统
的主要专业,包括总体性能、总体结构、风扇、
压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室、进排气系
图2传统设计和预测设计示意图
统、机械系统、空气系统、控制系统等;

2)学科维度:力学、热学、机械学、声学、
design
化学、材料学、信息学等主要基础和工程技术学
传统设计是指通过大量反复的实物试验来确
科,包括流体力学、燃烧学、传热学、结构强度、
定方案,暴露问题,排除故障。传统设计的研制
振动、可靠性分析、机械设计、控制系统、材料
周期一般需20-30年,发动机直到完成定型设计,
学、工艺制造、计算机、信息学及多学科交叉耦
需要制造50台左右的样机。所以过去常说:“发
合等;
动机是试验出来的”。
3)空间维度:包括零维、一维、二维、准三
预测设计是指发动机的方案设计及修改主要
维和全三维等所有宏观空间尺度;
在计算机上进行,基于数学模型、数值计算和虚
4)时间维度:包括定常、非定常、稳态和瞬
拟现实技术来模拟出发动机性能参数。此时仅需
态等;
少量的试验工作,来验证数值计算的设计结果,
5)工具维度:主要包括计算机辅助设计
从而大大缩短发动机的研制周期,节省研制成本。
(computeraideddesign,CAD)、计算流体力学
所以现在也可以说:“发动机是设计出来的”。
(computationalfluiddynamics,CFD)、计算

燃烧学(computationalcombustiondynamics,
1)利用数值试验优化设计,暴露问题,筛选
CCD)、计算机辅助制造(computeraided
方案,提高设计的“一次通过率”;
manufacturing,CAM)、有限元分析(finite
4航空动力学报第XX卷
2)减少试验工作量,减少试验件的数量,缩总试验小时数110207550
短研制周期,降低研制成本;
表2采用先进设计仿真工具技术可减少的研制经费
3)实现发动机设计的“透明”化,大大提
Table2Reduceddevelopmentcostswithadvanced
高设计的准确度。采用数值仿真方法,可以获得
simulationtechnology
物理试验中无法测量的发动机内部详细信息和参
传统方式先进仿真设计
数,也可对某些难以试验的发动机工况进行数值研发过程
(百万美元)(百万美元)
试验;
概要设计46(3%)37(7%)
4)加快发动机设计工作从“传统设计”到
“预测设计”转型,实现从“测绘仿制”到“自详细设计198(13%)160(22%)
主研制”的战略转变。工装/制造/装配
国外的成功实践经验表明,广泛采用以数值
部件30(2%)22(3%)
仿真技术为基础的先进设计仿真工具和方法,可
以大大减少实物物理试验的工作量和时数,从而核心机/发动机样机481(32%)164(22%)
既减少了研制时间和周期,也大大降低了研制费飞行试验用发动机300(21%)156(21%)
用。据美国空军研究机构(AFRL/PRTA)2002年3
试验
月发表的资料表明[10],在第三代发动机改进改型
和第四代发动机研制中,通过采用先进设计仿真部件16(1%)16(2%)
工具,可将发动机研制过程中用于测试的发动机核心机/发动机202(14%)126(17%)
整机数目从14台减到9台左右,而总的试验时数
项目管理/其他213(14%)52(8%)
可以从一万多小时降低到七千多小时,减少大约
30%(见表1)。而相应的研制经费也可从15亿美总研制经费1496733
元左右减少到7亿多美元,降低幅度达到50%(见注:括号内为该阶段经费占总经费的比例
表2),体现了仿真技术的显著军事和经济效益。正因如此,仿真技术被公认为是现代先进航
表1采用先进设计仿真工具技术可减少的试验小时数空发动机研制技术的一个重要发展方向,可以推
Table1Reducedexperimentalhourswith动现代科学技术的进步,世界各国都已高度重视
advancedsimulationtechnology并大力发展。
传统方式先进仿真设计
测试项目3仿真技术发展现状
(试验时数)(试验时数)

气动/机械775400
正是因为逐渐认识到数值仿真技术的巨大影
功能/环境675500
响,自20世纪80年代后期以来,美国、英国、
主动控制/耐久性775400法国和俄罗斯等航空发达国家非常注重多学科数
值仿真技术在研制过程中的重要作用,相继制定
地面操控性750450
并实施了相关计划,开展发动机数值仿真与验证
空中操控性25951325技术研究。
热端部件/
第XX期刘大响等:数值仿真技术在航空动力研制中的地位和作用5
在航空发动机数值仿真技术的众多发展计划与此同时,美国还在燃烧数值仿真方面实施
中,迄今为止规模最大的是美国的推进系统数值了专门的国家燃烧代码(NCC)计划,并在IHPTET、
仿真计划(NPSS)[11-12]。该计划隶属于NASA的高VAATE等其他相关计划中得到支持。
性能计算和通信计划(HPCCP),由美国NASAGlenn
研究中心负责,联合工业界、学校和其他政府机
构共同参与实施,其中仅在乔治亚理工学院(GIT)
建立的一个仿真研究中心就拥有120人的研究队
伍。在经费投入上,从20世纪90年代到2010年
的10余年间,年均投入经费近4000万美元,其
中仅系统开发年均投入经费就高达420万美元。
该计划已取得重大进展,在部件集成方面,已完
成风扇与短舱、风扇与增压级、混合器与喷管、图4涡轮部件设计仿真优化效果

真;在整机仿真方面,基于GE90-94B发动机,于众所周知,要想真正实现航空发动机的预测
1997年实现了发动机的零维/一维仿真,1999年设计,数值仿真和设计工具的预估精度需要有大
实现发动机的轴对称二维仿真,2001年实现三维幅度的提高。表3给出了要想实现预测设计所需
稳态气体动力学仿真,2005年实现全台发动机三要的大致仿真精度,以及美国目前达到的水平,
维稳态多学科仿真,2010年实现三维过渡态多学从中可看出,美国目前在仿真与验证技术方面已
科仿真,并最终实现飞机/发动机综合仿真(如图经达到相当高的技术水平。
3)。
版,[13-14]。Table3Accuracyrequiredforsimulationandthe
currentlylevel
物理现象目前的精度需要的精度
整机性能+/-%+/-%
操控性+/-%+/-%
气动热力学+/-%+/-%
图3基于NPSS平台的GE90-94B发动机整机仿真
三维结构+/-%+/-%
-94BenginebasedonNPSS
利用NPSS及其相关技术成果,美国还开展了高周疲劳/断裂力学+/-%+/-%
GE90发动机的涡轮部件设计仿真优化,包括涡轮
集成控制规律的性能+/-%+/-%
总体性能优化、流道形状优化、降低气动损失等。
优化效果表明:单机减重250磅,油耗下降1%。寿命
每个引擎节省近25万美元(如图4)。整个工作在低周疲劳+/-%+/-%
3个月内完成,大大缩短了设计周期[15]。
高周疲劳+/-%+/-%
6航空动力学报第XX卷
抗氧化+/-%+/-%化问题的定义、分析、优化和验证等方面广泛应
用数值仿真技术,避免许多可控和不可控噪声因
应力断裂+/-%+/-%
子的影响,提高了气动稳定性,缩短了设计周期,
材料属性+/-%+/-%节省了研发费用。

[17]
为了抗衡美国在数值仿真软件方面的发展,多级低压涡轮设计中,以气动损失最小、满足
俄罗斯中央航空发动机研究院(CIAM)启动了涡可靠性约束要求为目标,采用涡轮叶片稳健性形
轮发动机计算机试验技术(CT3)计划,并开发了状多学科优化仿真技术,明确了制造公差、材料
燃气轮机计算机仿真系统(ComputerGasTurbine和性能参数等主要不确定性因素,优化结果表明:
EngineSimulator)-CGTES。%、叶片可靠性大于95%。
动机数值仿真研究开发的独立计算体系[16],包括欧盟在2004-2007年间实施了基于虚拟航空
一系列从一维到三维的高精度仿真软件,可实现联合制造的价值提升计划(VIVACE计划),以多学
对发动机整机或部件的数值计算。该系统即可计科协同仿真优化为主要技术手段,构建了多学科
算发动机的稳态参数,也可对非定常过渡态进行协同仿真设计系统,应用于航空发动机等3个航
计算(如图5)。目前CGTES系统已经成为俄罗斯空领域,其范围涵盖产品从可行性研究、概念设
航空发动机整机性能评估的第三方标准软件,各计到详细设计的全寿命周期,其计划目标是使得
设计局研制或改进的航空发动机必须要在该系统新研发动机试验时数减少30%、研制周期缩短30%、
[18]
上进行整机和部件的性能仿真和评估分析,并以研制费用降低30%。

参考。
“七五”之后,我国在部分学科领域陆续开
发和引进了一些数值分析软件,开展对数值仿真
技术的应用研究。2004年在原国防科工委领导和
中航工业支持下,在北航组建了面向航空动力行
业开放式的航空发动机数值仿真技术研究和发展
图5典型民用大涵道比涡扇发动机多级压气机部件专业机构—“航空发动机数值仿真研究中心”,其
:建立我国先进航空发动机整机数值
turbofanengine仿真系统(CANSS);开展航空发动机数值仿真技
、培养仿真技术科研人才;建立航空发动
欧洲主要是英国罗-罗公司、德国MTU公司、机试验数据库,促进共享共用,减少重复研究;
法国SNECMA公司等航空动力领域的行业巨头,在开展与国外的技术交流与合作;为行业内外提供
欧盟、政府、军方和商业投资者支持下开展数值数值仿真技术的支持和服务。
仿真技术研究,在民用航空发动机研发领域得到仿真研究中心自2004年成立以来,累计完成
广泛应用。技改2500万元,承担原科工委、原总装、工信部、
英国罗-罗公司针对民用大涵道比涡扇发动科技部、两机重大专项等多项重大科研项目。目
机多级压气机部件,在压气机部件气动声学一体前现有专职研究人员20余人,其中院士1人、高
第XX期刘大响等:数值仿真技术在航空动力研制中的地位和作用7
级职称12人、在读博硕士研究生100余人。十余技术的研究仍处在较低水平,主要体现在:
年来共培养博士近100人、硕士400余人。20171)在仿真技术和水平方面,发动机整机仿真
年9月,中国航发研究院与北航能动学院签署协目前只能实现一维或二维稳态及过渡态数值仿
议,以“共建共管”的模式,以仿真中心为基础真;部件仿真还只能实现叶轮机等单独部件的三
共同组建了“航空发动机仿真联合研究中心”,探维数值仿真;多学科耦合研究仅开展涡轮部件气-
索产学研用紧密结合的新模式,共同开展仿真技固-热耦合仿真技术的研究,技术水平尚不成熟,
术的研究和应用工作。离工程应用有较大差距;仿真系统仅仅完成了初
仿真中心于2005年引进了当时全行业第一套步版本的开发及技术验证工作;更重要的是,目
高性能集群计算机系统和虚拟现实系统,并完成前的仿真计算精度离工程实际要求还有很大的差
了我国第一和第二代航空发动机数值仿真系统距,以最常见的气动热力计算为例:目前我们能
()的开发工作,形成了我达到的精度为6%,国际先进水平为3%,工程实用
国自己的航空发动机数值仿真系统(CANSS系统)要求为1%。为了提高数值算法的精度和仿真系统
第一版和第二版,提供有关研究院所使用,推进的成熟度,需要持续不断地进行新技术的探索研
了我国航空发动机向信息化、数字化方向发展。究工作。
该系统可实现整机零维/一维/二维气动热力2)在科研能力方面,高性能计算已达到数千
仿真、整机一维/部件三维气动热力缩放仿真、部到万核级、百万亿次/秒的水平,目前国内航空发
件三维非定常气动热力仿真、结构强度仿真和气动机行业的高性能计算能力整体水平落后,高性
固多学科耦合仿真等,已经在现役及在研的9型能计算能力严重不足,不能满足整机和部件多维
整机、40余套部件中得到了成功应用,涉及10余过渡态以及多学科耦合仿真等工程应用的需要。
个型号和项目。其中整机二维计算值与设计值的多通道立体三维视景生成设备(VR系统)功能单
%-%之间,整机一维相对误差一、扩展性和兼容性差、速度慢、不能满足非定
%-%之间,涡轮部件二维和三维计算值常和实时虚拟仿真的需要。总之,目前行业内的
与设计值的相对误差不大于3%,压缩部件二维和高性能计算设备在计算速度、存储容量、虚拟环
三维计算值与设计值的相对误差不大于6%,基本境等方面,都已经远不能满足整机和部件多维过
满足工程应用的要求(见表4)。渡态以及多学科耦合仿真等工程应用的需要,急
表4目前CANSS系统达到的水平需进行合理适当的扩充和完善。
Table4ThecurrentlevelofCANSSsystem3)在软件工具方面,工程应用主要还是依赖
CANSS实现大型商业通用软件和部分开源代码软件的二次开
物理现象目前的精度需要的精度
的精度发,如Ansys、Siemens、Numeca、Openform、Santarn
整机性能+/-%+/-%%等,具有完全自主产权的专业仿真软件种类不全、
技术落后、功能不够、验证不足、应用不广,航
气动热力学+/-%+/-%%
空发动机数值仿真领域的专业软件“卡脖子”问
集成控制规律
+/-%+/-%%题仍十分突出,亟需加快研发攻关力度,以期尽
的性能
早改善和升级。

4)在人力资源上,由于以前长期对数值仿真
总的说来,目前我国的航空发动机数值仿真
技术的忽视,投入不足,人才培养和梯队建设严
8航空动力学报第XX卷
重滞后,急需加强数值仿真技术研究人才队伍的和完善。同时,在仿真软件开发的过程中,也需
建设。要获取海量、全面、精细、可信的试验数据,对
4思考和建议仿真模型、方法等进行不断的改进、修正,这是
一个需要不断迭代完善的过程,因此,在组织全
,加快发展
行业开展仿真软件校核和推广应用的同时,也应
充分认识数值仿真技术在航空发动机研制中
大力抓紧针对软件开发过程的试验验证条件建
的重要地位和作用,要加强领导、加大投入、加
设,全面提高软件的开发能力和水平,以尽早解
快发展、加强应用,实现航空发动机研制从“传
决专业软件“卡脖子”问题。
统设计”向“预测设计”的转变,以信息化和数
,为心而战
字化助推航空动力产业实现跨越发展。
建议在中国航发研究院建设面向全行业的
,协同创新
“航空发动机数据库”,实现资源和数据的共享和
在仿真中心已有基础上,利用联合仿真中心
共用。同时,利用航发研究院的行业优势,面向
与工业部门结合紧密的特点,整合行业内外优势
工程应用,结合在研型号和预研项目,落实仿真
资源,组织“产学研用”相结合的高水平研发团
技术的工程应用转化,在发动机型号研制和关键
队,针对先进航空发动机的技术特点,集智攻关,
技术研究中,要尽快明确地将仿

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