專利名稱：小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)動機(jī)制造及設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
虛擬試驗(yàn)技術(shù)作為數(shù)字化的試驗(yàn)技術(shù)，集成仿真技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、試驗(yàn)技術(shù)等于一身，被認(rèn)為是提高武器系統(tǒng)或產(chǎn)品研制水平，增強(qiáng)創(chuàng)新力和競爭力的有效技術(shù)手段?，F(xiàn)在在國外先進(jìn)國家，以建模仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬試驗(yàn)已成為試驗(yàn)與評價工作的重要組成部分，而且有些場合可以部分地取代實(shí)物試驗(yàn)，成為試驗(yàn)與評價的新途徑。在小型渦輪發(fā)動機(jī)研制過程中，通過渦輪部件試驗(yàn)獲得渦輪部件的真實(shí)特性，對于發(fā)動機(jī)總體性能的評估具有重要作用。而通過渦輪虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)可以減少渦輪實(shí)物試驗(yàn)次數(shù)，部分代替實(shí)物試驗(yàn)，縮短產(chǎn)品試驗(yàn)周期，同時降低試驗(yàn)風(fēng)險和實(shí)際試驗(yàn)的費(fèi)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面提出了一種小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)， 包括渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)和渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)，其中，渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)進(jìn)一步包括三維造型模塊、流體動力學(xué)建模模塊、組裝模塊、三維計算模塊、后處理模塊、試驗(yàn)報告及評估報告生成模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和用戶管理模塊，所述三維造型模塊用于采用具有參數(shù)化建模功能的UG模塊建立試驗(yàn)器渦殼三維模型和試驗(yàn)件三維模型，其中，所述參數(shù)化建模為對渦殼、試驗(yàn)件的幾何結(jié)構(gòu)運(yùn)用幾個結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行的描述；所述流體動力學(xué)建模模塊用于根據(jù)三維造型模塊生成的渦殼三維模型和試驗(yàn)件三維模型采用CFD軟件(IcemCFD或TurboGrid)進(jìn)行流體動力學(xué)模型的建立，以生成渦殼流體動力學(xué)模型和試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型；所述組裝模塊用于對流體動力學(xué)建模模塊生成的渦殼流體動力學(xué)模型和試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型按照實(shí)際的物理狀態(tài)進(jìn)行組裝，以生成可用于氣動性能試驗(yàn)的計算模型；所述三維計算模塊用于根據(jù)設(shè)置的試驗(yàn)工況和試驗(yàn)工質(zhì)結(jié)合所述組裝模塊生成的用于氣動性能試驗(yàn)的計算模型進(jìn)行試驗(yàn)仿真，并在計算之前，在關(guān)鍵截面設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)信息，該信息主要包括監(jiān)控點(diǎn)的位置及監(jiān)控參數(shù)；所述后處理模塊用于根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行后處理分析，以獲得各個流面的參數(shù)分布及渦輪三維特性數(shù)據(jù)；所述試驗(yàn)報告及評估報告生成模塊用于根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)情況進(jìn)行總結(jié)，并完成試驗(yàn)報告及試驗(yàn)平臺評估報告；所述數(shù)據(jù)庫管理模塊用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，對虛擬試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、試?yàn)工況參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)、特性曲線、參數(shù)分布圖形進(jìn)行存儲管理，并為用戶提供檢索，查詢和統(tǒng)計以及分析評估，其中，所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶u殼三維模型、試驗(yàn)件三維模型、渦殼流體動力學(xué)模型和試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型；所述用戶管理模塊用于對用戶實(shí)行權(quán)限管理，以使不同權(quán)限人員對虛擬試驗(yàn)任務(wù)書、虛擬試驗(yàn)方案、虛擬試驗(yàn)?zāi)K有不同的訪問、修改權(quán)限；其中，所述渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)進(jìn)一步包括仿真計算模塊、接口規(guī)范模塊和優(yōu)化模塊，所述仿真計算模塊，用于對渦輪試驗(yàn)臺全氣路系統(tǒng)的建模與仿真；所述接口規(guī)范模塊，用于保證仿真計算過程中前臺界面與后臺仿真計算程序之間的數(shù)據(jù)通訊；所述優(yōu)化模塊，用于通過模擬退火優(yōu)化算法，自動計算出各個閥門的打開情況，以對渦輪臺實(shí)物試驗(yàn)的試驗(yàn)方案和操作提供參考和指導(dǎo)。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述仿真計算模塊進(jìn)一步包括輸入輸出接口、主控程序子模塊、典型元件模塊庫、管壁傳熱模型庫、通用熱物理性質(zhì)庫和推進(jìn)劑組元等效化學(xué)式庫，所述輸入輸出接口，用于獲得驅(qū)動仿真運(yùn)行的數(shù)據(jù)并輸出計算過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)；所述主控程序子模塊，用于對仿真對象的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，并根據(jù)解析后獲得的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行模塊化建模與仿真；所述典型元件模塊庫，用于保存氣路系統(tǒng)各個模塊的數(shù)值模型； 所述管壁傳熱模型庫，用于保存四種傳熱模型供各個模塊選擇合適的管壁傳熱模型；所述通用熱物理性質(zhì)庫，用于提供或計算氣路系統(tǒng)涉及到的流體介質(zhì)、管壁材料的物性參數(shù)及外界環(huán)境參數(shù)，并在系統(tǒng)仿真時提供給各個模塊使用；所述推進(jìn)劑組元等效化學(xué)式庫，用于保存H、C、N、0、Al、S、Cl、Ar八元素系統(tǒng)各個推進(jìn)劑組元的等效化學(xué)式。本發(fā)明實(shí)施例通過渦輪虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)“渦輪部件設(shè)計仿真一虛擬試驗(yàn)+ 適當(dāng)?shù)牟考锢碓囼?yàn)一指導(dǎo)修改渦輪設(shè)計”的設(shè)計優(yōu)化流程，主要可達(dá)到以下效果1、可以減少渦輪實(shí)物試驗(yàn)次數(shù)，部分代替實(shí)物試驗(yàn)，縮短產(chǎn)品試驗(yàn)周期，同時降低試驗(yàn)風(fēng)險和實(shí)際試驗(yàn)的費(fèi)用；渦輪虛擬試驗(yàn)技術(shù)，可以對渦輪在發(fā)動機(jī)上和部件試驗(yàn)臺上的性能差異進(jìn)行分析和評估，從而對渦輪實(shí)物試驗(yàn)的結(jié)果提出合理的修正意見，對渦輪的設(shè)計提出更準(zhǔn)確的設(shè)計修改建議；2、為整個小型渦輪發(fā)動機(jī)虛擬試驗(yàn)平臺的搭建提供樣板；3、虛擬試驗(yàn)技術(shù)的采用，對于逐步實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)從“傳統(tǒng)型設(shè)計”到“預(yù)測型設(shè)計”的根本轉(zhuǎn)變，具有重要意義。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為本發(fā)明實(shí)施例的小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例兩類虛擬試驗(yàn)的關(guān)系示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的虛擬試驗(yàn)方法流程圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例的渦殼制作流程圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例的試驗(yàn)件制作流程圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例的全通道試驗(yàn)流程圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例的制作試驗(yàn)大綱子流程示意圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬子系統(tǒng)中氣路仿真模塊的結(jié)構(gòu)5
圖10為本發(fā)明實(shí)施例仿真計算模塊的結(jié)構(gòu)圖；圖11為本發(fā)明實(shí)施例優(yōu)化計算工作流程圖；圖12為本發(fā)明實(shí)施例接口規(guī)范模塊結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例的小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)包括渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)和渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)。其中，渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)提供渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)，其針對整個渦輪試驗(yàn)臺的一維氣路系統(tǒng)的動態(tài)流動，進(jìn)行的非定常仿真，目的是考察整個試驗(yàn)氣路的動態(tài)變化過程和規(guī)律。渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)提供渦輪三維氣動性能虛擬試驗(yàn)，針對渦輪臺架及被試渦輪部分，進(jìn)行的渦輪/渦殼及進(jìn)氣/排氣部分的三維流動定常模擬，目的是獲得渦輪的氣動特性。在本發(fā)明的實(shí)施例中，渦輪虛擬試驗(yàn)可以分為兩步完成第一步在渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)進(jìn)行渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)，獲得渦輪部件的氣動特性；第二步使用第一步獲得的渦輪氣動性能數(shù)據(jù)，在渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)子平臺進(jìn)行渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)。上述渦輪虛擬試驗(yàn)方法簡稱為“兩步法”，如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例兩類虛擬試驗(yàn)的關(guān)系示意圖。其中第一步試驗(yàn)可獨(dú)立存在，而第二步試驗(yàn)必須在第一步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。以下就對渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)和渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。本發(fā)明實(shí)施例的小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)通過搭建網(wǎng)絡(luò)化的虛擬平臺實(shí)現(xiàn)，以對小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪部件的氣動性能進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，從而短渦輪試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)風(fēng)險和實(shí)際試驗(yàn)的費(fèi)用。如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例的小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)包括三維造型模塊100、流體動力學(xué)建模模塊200、組裝模塊300、三維計算模塊400、后處理模塊500、試驗(yàn)報告及評估報告生成模塊600、數(shù)據(jù)庫管理模塊700、用戶管理模塊800。其中，三維造型模塊100主要采用具有參數(shù)化建模功能的UG模塊(Urographies NX)進(jìn)行試驗(yàn)器渦殼三維模型和試驗(yàn)件三維模型的建立。在本發(fā)明的實(shí)施例之中，參數(shù)化建模即對渦殼、試驗(yàn)件的幾何結(jié)構(gòu)運(yùn)用幾個結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行描述，如長度、寬度、厚度或直徑、半徑等。當(dāng)該渦殼、試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)大小發(fā)生變化時，只需修改描述該渦殼、試驗(yàn)件的參數(shù)值而不需要修改模型本身。其中，流體動力學(xué)建模模塊200根據(jù)三維造型模塊100生成的渦殼三維模型和試驗(yàn)件三維模型采用CFD軟件(IcemCFD和TurboGrid軟件)進(jìn)行流體動力學(xué)模型的建立，以生成渦殼流體動力學(xué)模型和試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型。
其中，組裝模塊300用于對流體動力學(xué)建模模塊200生成的渦殼流體動力學(xué)模型和試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型進(jìn)行組裝，生成可用于氣動性能試驗(yàn)的計算模型。具體地，將可用于氣動性能試驗(yàn)的渦殼計算模型與試驗(yàn)件計算模型按照其實(shí)際的物理狀態(tài)進(jìn)行拼接，使其變?yōu)橐粋€可用于計算的完整模型。根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)書設(shè)置試驗(yàn)工況、試驗(yàn)工質(zhì)。三維計算模塊400根據(jù)設(shè)置的試驗(yàn)工況和試驗(yàn)工質(zhì)結(jié)合組裝模塊300生成的用于氣動性能試驗(yàn)的計算模型進(jìn)行試驗(yàn)仿真。在試驗(yàn)過程之中還可監(jiān)控關(guān)鍵截面的參數(shù)變化。在計算之前，在關(guān)鍵截面設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)信息，該信息主要包括監(jiān)控點(diǎn)的位置(三維坐標(biāo)值)及監(jiān)控參數(shù)，如壓力、溫度等。后處理模塊500根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行后處理分析，以獲得各個流面的參數(shù)分布及渦輪三維特性數(shù)據(jù)，并將試驗(yàn)結(jié)果與渦輪實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，獲得兩者之間的關(guān)系，例如獲得渦輪特性參數(shù)如效率、功率、流量等參數(shù)的差異。在本發(fā)明的實(shí)施例之中，后處理分析包括對各流面(Si流面、S2流面、S3流面)的各參數(shù)(總溫、總壓、靜溫、靜壓、速度、馬赫數(shù)等)分布的分析、各關(guān)鍵截面(葉片排進(jìn)出口截面等)參數(shù)的分析、葉片損失系數(shù)、流線分布等。試驗(yàn)報告及評估報告生成模塊600用于根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)情況進(jìn)行總結(jié)，并完成試驗(yàn)報告及試驗(yàn)平臺評估報告。本發(fā)明實(shí)施例的小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)庫管理功能，可通過數(shù)據(jù)庫管理模塊700對虛擬試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、試?yàn)工況參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)、 特性曲線、參數(shù)分布圖形等信息進(jìn)行存儲管理，并為用戶提供檢索，查詢和統(tǒng)計以及分析評估的功能。用戶管理模塊800用于對用戶實(shí)行權(quán)限管理，以使不同權(quán)限人員對虛擬試驗(yàn)任務(wù)書、虛擬試驗(yàn)方案、虛擬試驗(yàn)?zāi)K有不同的訪問、修改權(quán)限。該系統(tǒng)之中用戶權(quán)限共分為三類系統(tǒng)管理員、試驗(yàn)者或設(shè)計者、瀏覽者。其中，不同權(quán)限人員對虛擬試驗(yàn)任務(wù)書、虛擬試驗(yàn)方案和虛擬試驗(yàn)?zāi)K有不同的訪問，修改權(quán)限。在用戶登錄進(jìn)入小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)之后，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的該用戶的權(quán)限確定該用戶可進(jìn)行的操作范圍，從而保證了數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的保密、可靠和一致。如圖4所示，為本發(fā)明實(shí)施例的虛擬試驗(yàn)方法流程圖，該方法基于上述的小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)。該方法包括以下步驟步驟S401，制作渦殼，生成渦殼三維模型和渦殼流體動力學(xué)模型。其中，渦殼包括六個部件，分別是進(jìn)口 l(jkl)、進(jìn)口 2(jk2)、前盆(qp)、后盆(hp)、出口 l(ckl)，出口 2(ck2)。渦殼的制作過程是首先制作六個部件，然后合并六個部件生成渦殼。六個部件的制作過程是首先UG創(chuàng)建幾何文件，生成渦殼三維模型，然后由Icem生成渦殼六個部件的流體動力學(xué)模型，最后由CFX合并六個部件的流體動力學(xué)模型，生成渦殼流體動力學(xué)模型。如圖5所示，為本發(fā)明實(shí)施例的渦殼制作流程圖。步驟S402，制作試驗(yàn)件，生成試驗(yàn)件三維模型和試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型。試驗(yàn)件的制作根據(jù)選用網(wǎng)格工具的不同提供兩種制作方式，IcemCFD方式和TurboGrid方式。方式一、IcemCFD方式首先由專門的設(shè)計軟件創(chuàng)建靜葉和動葉的點(diǎn)文件，然后由UG軟件創(chuàng)建三維模型， 再由IcemCFD創(chuàng)建靜葉和動葉的流體動力學(xué)模型，最后由CFX合并靜葉和動葉的流體動力學(xué)模型，生成試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型。方式二、TurboGrid方式首先由專門的設(shè)計軟件創(chuàng)建靜葉和動葉的點(diǎn)文件，然后由UG軟件創(chuàng)建三維模型， 再由TurboGrid創(chuàng)建靜葉和動葉的流體動力學(xué)模型，最后由CFX合并靜葉和動葉的流體動力學(xué)模型，生成試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型。。如圖6所示，為本發(fā)明實(shí)施例的試驗(yàn)件制作流程圖。需要說明的是在本發(fā)明實(shí)施例之中，步驟S401和S402之間沒有順序關(guān)系。步驟S403，進(jìn)行全通道試驗(yàn)。首先合并渦殼流體動力學(xué)模型和試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型，然后通過設(shè)置工況參數(shù)和工質(zhì)參數(shù)在合并后的渦殼和試驗(yàn)件上開始試驗(yàn)，試驗(yàn)后進(jìn)行后處理分析，并生成試驗(yàn)報告。如圖7所示，為本發(fā)明實(shí)施例的全通道試驗(yàn)流程圖。如圖 8所示，為本發(fā)明實(shí)施例的制作試驗(yàn)大綱子流程示意圖。渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)用于模擬渦輪試驗(yàn)環(huán)境的虛擬試驗(yàn)，該虛擬試驗(yàn)的研究重點(diǎn)是渦輪試驗(yàn)臺的進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)，在對管路的轉(zhuǎn)彎、摻混、調(diào)節(jié)閥等建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立整個渦輪試驗(yàn)臺的虛擬試驗(yàn)臺，通過數(shù)值計算獲取不同試驗(yàn)條件下各個調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制最優(yōu)。渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)包括渦輪試驗(yàn)臺環(huán)境氣路仿真模塊，其為渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)的運(yùn)算主體。該氣路仿真模塊包括仿真計算模塊1100、接口規(guī)范模塊 1200和優(yōu)化模塊1300。如圖9所示，為本發(fā)明實(shí)施例渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬子系統(tǒng)中氣路仿真模塊的結(jié)構(gòu)圖。其中，仿真計算模塊1100用于對渦輪試驗(yàn)臺全氣路系統(tǒng)的建模與仿真。 接口規(guī)范模塊1200用于保證仿真計算過程中前臺界面與后臺仿真計算程序之間的數(shù)據(jù)通訊。優(yōu)化模塊1300用于通過模擬退火優(yōu)化算法，自動計算出各個閥門的打開情況，以對渦輪臺實(shí)物試驗(yàn)的試驗(yàn)方案和操作提供參考和指導(dǎo)。如圖10所示，為本發(fā)明實(shí)施例仿真計算模塊的結(jié)構(gòu)圖。該仿真計算模塊1100進(jìn)一步包括輸入輸出接口 1110、主控程序子模塊1120、典型元件模塊庫1130、管壁傳熱模型庫 1140、通用熱物理性質(zhì)庫1150和推進(jìn)劑組元等效化學(xué)式庫1160。其中，輸入輸出接口 1110 是仿真程序與渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)界面之間的通信接口。輸入輸出接口 1110獲得驅(qū)動仿真運(yùn)行的數(shù)據(jù)并輸出計算過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。具體來說，用戶在渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬子系統(tǒng)界面中進(jìn)行系統(tǒng)的模塊化連接、流場與溫度場網(wǎng)格劃分及初始化、元件特性參數(shù)設(shè)置、仿真控制和輸出控制、仿真及結(jié)果查看等工作，設(shè)置完畢子系統(tǒng)的界面會自動生成仿真計算程序可以“讀懂”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)矩陣、網(wǎng)格劃分、元件初始化、元件特性參數(shù)等文件或?qū)崟r控制指令驅(qū)動并控制仿真計算程序的運(yùn)行，并借助接口規(guī)范程序接收處理計算過程中發(fā)送出來的相關(guān)數(shù)據(jù)。主控程序子模塊1120用于對仿真對象的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，并根據(jù)解析后獲得的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行模塊化建模與仿真。同時，主控程序子模塊1120是仿真計算程序編譯后形成的動態(tài)鏈接庫中的唯一可調(diào)用子程序，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)調(diào)用仿真計算過程涉及的各個程序。典型元件模塊庫1130用于保存氣路系統(tǒng)各個模塊的數(shù)值模型。管壁傳熱模型庫1140用于保存四種傳熱模型供各個模塊選擇合適的管壁傳熱模型。通用熱物理性質(zhì)庫 1150用于提供或計算氣路系統(tǒng)涉及到的流體介質(zhì)、管壁材料的物性參數(shù)及外界環(huán)境參數(shù)， 并在系統(tǒng)仿真時提供給各個模塊使用。推進(jìn)劑組元等效化學(xué)式庫1160用于保存H、C、N、0、 Al、S、Cl、Ar八元素系統(tǒng)各個推進(jìn)劑組元的等效化學(xué)式，即等效化學(xué)式中各個元素的摩爾
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首先通過仿真計算模塊1100的輸入輸出接口 1110為主控程序子模塊1120提供所需的輸入數(shù)據(jù)。主控程序子模塊1120根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)矩陣獲取系統(tǒng)信息以及各個元件的編碼信息，并根據(jù)各個元件的編碼信息對各個系統(tǒng)組件的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理，處理完畢之后進(jìn)行系統(tǒng)連接，然后進(jìn)行仿真迭代循環(huán)，在迭代過程中會調(diào)用典型元件模塊庫1130、管壁傳熱模型庫1140、通用熱物理性質(zhì)庫1150和推進(jìn)劑組元等效化學(xué)式庫1160以及其他一些輔助程序模塊和經(jīng)過前處理的輸入數(shù)據(jù)，并生成相應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)，同時借助輔助函數(shù)庫程序?qū)崟r響應(yīng)子系統(tǒng)界面發(fā)出的控制指令。當(dāng)滿足計算迭代結(jié)束條件時，仿真結(jié)束，用戶可以通過渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)的結(jié)果顯示模塊或Tecpl0t、Micr0S0ft Excel等商用軟件對仿真結(jié)果進(jìn)行顯示與分析。如圖11所示，為本發(fā)明實(shí)施例優(yōu)化計算工作流程圖。優(yōu)化模塊1300歸結(jié)為以目標(biāo)試驗(yàn)條件為目標(biāo)函數(shù)，以各個閥門的開度范圍為約束條件的優(yōu)化問題。當(dāng)被試渦輪的進(jìn)口空氣流量和壓強(qiáng)以及油路進(jìn)口流量和目標(biāo)試驗(yàn)條件被給定時，由優(yōu)化模塊1300自動計算出各個閥門的打開情況，以便對渦輪臺實(shí)物試驗(yàn)的試驗(yàn)方案和操作提供參考和指導(dǎo)。優(yōu)化算法采用目前比較常用的模擬退火算法，模擬退火算法是一種用于解決連續(xù)、有序離散和多模態(tài)優(yōu)化問題的隨機(jī)優(yōu)化技術(shù)。為了進(jìn)一步提高優(yōu)化計算速度，建立優(yōu)化計算經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，將已經(jīng)計算過的仿真結(jié)果進(jìn)行保存，避免了優(yōu)化計算的重復(fù)操作問題。接口規(guī)范模塊1200的定義是為了保證仿真計算過程中前臺界面與后臺仿真計算程序之間的數(shù)據(jù)通訊。接口規(guī)范模塊1200包括輔助函數(shù)庫1210、仿真數(shù)據(jù)處理類1220和仿真計算控制類1230。如圖12所示，為本發(fā)明實(shí)施例接口規(guī)范模塊結(jié)構(gòu)圖。輔助函數(shù)庫模塊1210用于對基于TCP/IP協(xié)議的通訊方案中所用到的函數(shù)等進(jìn)行封裝，以提供給仿真計算后臺使用。輔助函數(shù)庫模塊1210包括數(shù)據(jù)接收發(fā)送子模塊1211和數(shù)據(jù)包處理子模塊 1212。其中，數(shù)據(jù)接收發(fā)送子模塊1211對Socket接口函數(shù)進(jìn)行了封裝，借用!Fortran語言和C++語言的混合編程技術(shù)，可以使封裝后Socket接口函數(shù)在Fortran語言編制的計算后臺中被調(diào)用，建立以前臺界面為服務(wù)器，以計算后臺為客戶端的TCP/IP連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)他們之間的通訊。數(shù)據(jù)包處理子模塊1212實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收處理，程序?qū)⑼耆凑杖蝿?wù)書的格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、解碼，保證了數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性。仿真數(shù)據(jù)處理類1220和仿真計算控制類1230的作用是進(jìn)一步將對計算后臺監(jiān)控進(jìn)行了細(xì)化，以提供給前臺界面使用。仿真計算后臺發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過仿真數(shù)據(jù)處理類1220進(jìn)行分類處理，按照具體類型的設(shè)計要求通過仿真數(shù)據(jù)處理類1220進(jìn)行顯示、存儲等操作。前臺界面發(fā)送的開始、暫停以及停止等控制指令將通過仿真計算控制類1230進(jìn)行發(fā)送。仿真數(shù)據(jù)處理類1220包括輸出參數(shù)信息類1221和仿真模塊信息類1222。本發(fā)明實(shí)施例通過渦輪虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)“渦輪部件設(shè)計仿真一虛擬試驗(yàn)+ 適當(dāng)?shù)牟考锢碓囼?yàn)一指導(dǎo)修改渦輪設(shè)計”的設(shè)計優(yōu)化流程，主要可達(dá)到以下效果1、可以減少渦輪實(shí)物試驗(yàn)次數(shù)，部分代替實(shí)物試驗(yàn)，縮短產(chǎn)品試驗(yàn)周期，同時降低試驗(yàn)風(fēng)險和實(shí)際試驗(yàn)的費(fèi)用；渦輪虛擬試驗(yàn)技術(shù)，可以對渦輪在發(fā)動機(jī)上和部件試驗(yàn)臺上的性能差異進(jìn)行分析和評估，從而對渦輪實(shí)物試驗(yàn)的結(jié)果提出合理的修正意見，對渦輪的設(shè)計提出更準(zhǔn)確的設(shè)計修改建議；
2、為整個小型渦輪發(fā)動機(jī)虛擬試驗(yàn)平臺的搭建提供樣板；3、虛擬試驗(yàn)技術(shù)的采用，對于逐步實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)從“傳統(tǒng)型設(shè)計”到“預(yù)測型設(shè)計”的根本轉(zhuǎn)變，具有重要意義。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
1.一種小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)和渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)，其中，渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)進(jìn)一步包括三維造型模塊、流體動力學(xué)建模模塊、 組裝模塊、三維計算模塊、后處理模塊、試驗(yàn)報告及評估報告生成模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和用戶管理模塊，所述三維造型模塊用于采用具有參數(shù)化建模功能的UG模塊建立試驗(yàn)器渦殼三維模型和試驗(yàn)件三維模型，其中，所述參數(shù)化建模為對渦殼、試驗(yàn)件的幾何結(jié)構(gòu)運(yùn)用幾個結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行的描述；所述流體動力學(xué)建模模塊用于根據(jù)三維造型模塊生成的渦殼三維模型和試驗(yàn)件三維模型采用CFD軟件(IcemCFD或TurboGrid)進(jìn)行流體動力學(xué)模型的建立，以生成渦殼流體動力學(xué)模型和試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型；所述組裝模塊用于對流體動力學(xué)建模模塊生成的渦殼流體動力學(xué)模型和試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型按照實(shí)際的物理狀態(tài)進(jìn)行組裝，以生成可用于氣動性能試驗(yàn)的計算模型；所述三維計算模塊用于根據(jù)設(shè)置的試驗(yàn)工況和試驗(yàn)工質(zhì)結(jié)合所述組裝模塊生成的用于氣動性能試驗(yàn)的計算模型進(jìn)行試驗(yàn)仿真，并在計算之前，在關(guān)鍵截面設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)信息，該信息主要包括監(jiān)控點(diǎn)的位置及監(jiān)控參數(shù)，如壓力、溫度；所述后處理模塊用于根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行后處理分析，以獲得各個流面的參數(shù)分布及渦輪三維特性數(shù)據(jù)；所述試驗(yàn)報告及評估報告生成模塊用于根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)情況進(jìn)行總結(jié)，并完成試驗(yàn)報告及試驗(yàn)平臺評估報告；所述數(shù)據(jù)庫管理模塊用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，對虛擬試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、試?yàn)工況參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)、特性曲線、參數(shù)分布圖形進(jìn)行存儲管理，并為用戶提供檢索，查詢和統(tǒng)計以及分析評估，其中，所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶u殼三維模型、試驗(yàn)件三維模型、渦殼流體動力學(xué)模型和試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型；所述用戶管理模塊用于對用戶實(shí)行權(quán)限管理，以使不同權(quán)限人員對虛擬試驗(yàn)任務(wù)書、 虛擬試驗(yàn)方案、虛擬試驗(yàn)?zāi)K有不同的訪問、修改權(quán)限；其中，所述渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)進(jìn)一步包括仿真計算模塊、接口規(guī)范模塊和優(yōu)化模塊，所述仿真計算模塊，用于對渦輪試驗(yàn)臺全氣路系統(tǒng)的建模與仿真； 所述接口規(guī)范模塊，用于保證仿真計算過程中前臺界面與后臺仿真計算程序之間的數(shù)據(jù)通訊；所述優(yōu)化模塊，用于通過模擬退火優(yōu)化算法，自動計算出各個閥門的打開情況，以對渦輪臺實(shí)物試驗(yàn)的試驗(yàn)方案和操作提供參考和指導(dǎo)。
2.如權(quán)利要求1所述的小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述仿真計算模塊進(jìn)一步包括輸入輸出接口、主控程序子模塊、典型元件模塊庫、管壁傳熱模型庫、通用熱物理性質(zhì)庫和推進(jìn)劑組元等效化學(xué)式庫，所述輸入輸出接口，用于獲得驅(qū)動仿真運(yùn)行的數(shù)據(jù)并輸出計算過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)； 所述主控程序子模塊，用于對仿真對象的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，并根據(jù)解析后獲得的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行模塊化建模與仿真；所述典型元件模塊庫，用于保存氣路系統(tǒng)各個模塊的數(shù)值模型； 所述管壁傳熱模型庫，用于保存四種傳熱模型供各個模塊選擇合適的管壁傳熱模型； 所述通用熱物理性質(zhì)庫，用于提供或計算氣路系統(tǒng)涉及到的流體介質(zhì)、管壁材料的物性參數(shù)及外界環(huán)境參數(shù)，并在系統(tǒng)仿真時提供給各個模塊使用；所述推進(jìn)劑組元等效化學(xué)式庫，用于保存H、C、N、0、Al、S、Cl、Ar八元素系統(tǒng)各個推進(jìn)劑組元的等效化學(xué)式。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)和渦輪試驗(yàn)環(huán)境虛擬試驗(yàn)子系統(tǒng)。本發(fā)明實(shí)施例通過渦輪虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)“渦輪部件設(shè)計仿真-虛擬試驗(yàn)+適當(dāng)?shù)牟考锢碓囼?yàn)-指導(dǎo)修改渦輪設(shè)計”的設(shè)計優(yōu)化流程，可以減少渦輪實(shí)物試驗(yàn)次數(shù)，部分代替實(shí)物試驗(yàn)，縮短產(chǎn)品試驗(yàn)周期，同時降低試驗(yàn)風(fēng)險和實(shí)際試驗(yàn)的費(fèi)用。
文檔編號G06F17/50GK102279900SQ20111012122
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)明者劉振德, 徐凌志, 王娜, 王維明, 郭昊雁 申請人:北京動力機(jī)械研究所