航空發(fā)動機系統(tǒng)級多場耦合分布仿真研究.pdf

1、進入新世紀(jì)后，航空動力工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)日益增加，激烈的競爭要求航空發(fā)動機生產(chǎn)廠家盡可能縮短研發(fā)周期，降低生產(chǎn)維護成本。隨著計算機技術(shù)的進步，計算機仿真已經(jīng)越來越成為科學(xué)研究和實際生產(chǎn)中解決復(fù)雜工程問題的一項重要手段。特別是在發(fā)動機設(shè)計領(lǐng)域，它可以充分發(fā)揮投資少見效快的特點，以較少的投資快速地獲得幾種不同的設(shè)計方案。航空發(fā)動機涉及到一系列學(xué)科：熱力學(xué)、流體力學(xué)、材料、傳熱、機械和電子等等。所以多學(xué)科交叉耦合成為當(dāng)今航空動力系統(tǒng)的一個重要特色

2、。如何把計算流體力學(xué)、計算結(jié)構(gòu)力學(xué)、燃燒、傳熱、控制以及計算機仿真技術(shù)等集成到航空發(fā)動機的計算機仿真中已經(jīng)成為目前難點和重點。 本文研究的基本思路是：應(yīng)用面向?qū)ο筌浖O(shè)計模塊化思想，建立與縮放模型相關(guān)的系統(tǒng)級子系統(tǒng)和部件的集成；在合適保真度水平上將各子系統(tǒng)和各部件綜合在一起，實現(xiàn)子系統(tǒng)和系統(tǒng)級仿真；通過多學(xué)科耦合研究來掌握各個學(xué)科之間相互影響的關(guān)鍵問題；通過可變復(fù)雜性分析，適應(yīng)不同設(shè)計問題對分析復(fù)雜性的要求；以模塊化、層次化、

3、規(guī)范化和參數(shù)化等為出發(fā)點，充分利用各領(lǐng)域的專門仿真軟件對各自適用的子系統(tǒng)進行進一步細(xì)化建模；將不同領(lǐng)域、不同層次上的子系統(tǒng)仿真模型集成到分布仿真環(huán)境下；設(shè)計人員可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的仿真服務(wù)，虛擬地建立一個包含不同學(xué)科、不同細(xì)節(jié)部件模型在內(nèi)的，完整的航空發(fā)動機模型。 基于此，我們提出了面向仿真對象(即航空發(fā)動機)的三層體系結(jié)構(gòu)的分布仿真系統(tǒng)框架。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不靈活，改進成本高昂，可擴展性差，維護管理困難等難點。

4、初步具備了虛擬組織的特征，可以根據(jù)需要虛擬化的靈活地建立臨時分布仿真系統(tǒng)，并隨著任務(wù)的完成而自動解散。建模人員可以有效地重用已有的仿真模型，透明地訪問所有同仿真相關(guān)的信息或服務(wù)，完成各自建模和仿真。大大提高了仿真服務(wù)、模型以及其它資源的可重用性。層次化、模塊化和參數(shù)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)內(nèi)不同架構(gòu)，不同模型之間的耦合性，增加了各個架構(gòu)問的獨立性和部件模型的自治性，改善了傳統(tǒng)分布仿真中各子系統(tǒng)和部件模型之間過分依賴的關(guān)系。進一步地，在設(shè)計

5、的三層體系結(jié)構(gòu)中提出并建立了客戶和用戶的概念和模塊。使得基本仿真環(huán)境的管理與仿真應(yīng)用分離。分解了客戶端的功能，消除了服務(wù)管理與仿真地耦合，增加系統(tǒng)的獨立性、可靠性和穩(wěn)定性。在仿真服務(wù)管理和應(yīng)用之間做出了負(fù)載平衡，避免了通常單一客戶因負(fù)載過重而帶來的效率降低、不穩(wěn)定等問題。 本研究嘗試應(yīng)用一種新的面向?qū)ο蟮姆抡婀ぞ進ODLICA語言。充分利用它的面向?qū)ο蠊δ?，并結(jié)合參數(shù)化、模塊化和圖形化等新型仿真系統(tǒng)的要求，開發(fā)并建立了一個開放

6、的可擴展的航空(渦扇)發(fā)動機部件仿真模型庫。在此基礎(chǔ)上，建立了由航空發(fā)動機各部件零維數(shù)字仿真模型組成的發(fā)動機整機模型。我們的目的是建立一個系統(tǒng)級的航空發(fā)動機部件模型架構(gòu)基礎(chǔ)。即一個適用對各類設(shè)計方案進行快速評價，以及在制造、維護等階段對發(fā)動機進行檢驗和檢測的，包含主要部件基本物理模型的仿真模型庫。以該模型庫為基礎(chǔ)建立的系統(tǒng)級模型可以作為航空發(fā)動機分布仿真系統(tǒng)中的用戶(即系統(tǒng)級架構(gòu))層，以控制各分布式服務(wù)或模型的仿真。 大型科學(xué)

7、與工程項目的組織與實施都面臨著人員眾多、異構(gòu)計算資源、多信息系統(tǒng)之間的協(xié)作與交互問題。為了有效地應(yīng)用并管理航空發(fā)動機分布仿真中眾多的異構(gòu)資源，消除信息孤島，我們引入了網(wǎng)格計算(GridComputing)概念和網(wǎng)格計算服務(wù)(GridService)技術(shù)。采用網(wǎng)格計算服務(wù)和組件技術(shù)實現(xiàn)了本文設(shè)計的航空發(fā)動機分布仿真系統(tǒng)。按照網(wǎng)格計算服務(wù)的要求對發(fā)動機子系統(tǒng)仿真進行封裝，在基礎(chǔ)架構(gòu)上提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的仿真服務(wù)接口。在網(wǎng)格環(huán)境下，能夠充分利用已有

8、建模仿真技術(shù)和商業(yè)化軟件，建立一個松散的分布仿真系統(tǒng)。這改變了傳統(tǒng)分布仿真技術(shù)需要通過大規(guī)模改造原有成果，才能建立一個剛性化的分布系統(tǒng)的弊端。該系統(tǒng)賦予航空發(fā)動機各相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計人員巨大的主動權(quán)和自治權(quán)。 本文建立的航空發(fā)動機多場耦合分布仿真系統(tǒng)，可使異地的、分布的建模仿真人員方便、快捷、友好地采用各自領(lǐng)域的專業(yè)分析工具，對構(gòu)成航空發(fā)動機系統(tǒng)的各子系統(tǒng)進行建模與仿真；在不同技術(shù)角度和層次上進行功能、性能的單點分析，并支持它們參與

9、整個系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。本系統(tǒng)的特長在于使用適當(dāng)?shù)暮涂捎玫膸讉€資源共同協(xié)作仿真。因為每一個工作不必運行在同一個資源上，因此如果某個特定仿真任務(wù)要求特別的資源(如超級計算機或特定軟件)是可以承受的，而其它仿真過程則可以運行在一個標(biāo)準(zhǔn)的和相對便宜的資源上。工作任務(wù)可以運行在任何資源上，這樣增加了系統(tǒng)的可用性和可靠性。航空發(fā)動機多場耦合分布式仿真可以較真實地反映發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程及其部件狀況，大量減少試驗次數(shù)，縮短研制時間，節(jié)省研究經(jīng)費。它可以應(yīng)用于