專利名稱：小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)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(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
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。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(jì)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。國外虛擬試驗(yàn)技術(shù)在上個世紀(jì)八十年代開始興起，在國防領(lǐng)域尖端的武器系統(tǒng)研制之中應(yīng)用較多，但在小型發(fā)動機(jī)虛擬試驗(yàn)方面還未進(jìn)行任何有效的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法。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)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，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(jì)算模塊、后處理模塊、 試驗(yàn)報(bào)告及評估報(bào)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(jì)算模型；所述三維計(jì)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(jì)算模型進(jìn)行試驗(yàn)仿真，并在計(jì)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、溫度等；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(bào)告及評估報(bào)告生成模塊用于根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)情況進(jìn)行總計(jì)，并完成試驗(yàn)報(bào)告及試驗(yàn)平臺評估報(bào)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(jì)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。本發(fā)明還提出了一種采用如上所述的小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)的方法，包括以下步驟制作渦殼以生成渦殼三維模型和渦殼流體動力學(xué)模型； 制作試驗(yàn)件以生成試驗(yàn)件三維模型和試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型；對所述渦殼流體動力學(xué)模型和所述試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型進(jìn)行拼接以生成可用于氣動性能試驗(yàn)的計(jì)算模型，并根據(jù)設(shè)置的試驗(yàn)工況和試驗(yàn)工質(zhì)進(jìn)行全通道試驗(yàn)。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)系統(tǒng)能夠部分地取代渦輪實(shí)物試驗(yàn)，縮短渦輪試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)風(fēng)險和實(shí)際試驗(yàn)的費(fèi)用。此外，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)系統(tǒng)還能夠?qū)u輪的氣動性能進(jìn)行分析和評估，指導(dǎo)渦輪的設(shè)計(jì)。本發(fā)明實(shí)施例對于實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)從“傳統(tǒng)型設(shè)計(jì)”到“預(yù)測型設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變有著重要的促進(jìn)作用。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)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的虛擬試驗(yàn)方法流程圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的渦殼制作流程圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的試驗(yàn)件制作流程圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例的全通道試驗(yàn)流程圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例的制作試驗(yàn)大綱子流程示意圖。
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。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)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1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)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)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(jì)算模塊400、后處理模塊500、 試驗(yàn)報(bào)告及評估報(bào)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 (UnigraphicsNX)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(jì)算模型。具體地，將可用于氣動性能試驗(yàn)的渦殼計(jì)算模型與試驗(yàn)件計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(bào)告及評估報(bào)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(bào)告及試驗(yàn)平臺評估報(bào)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)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汀⒃囼?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(jì)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(jì)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)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2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)系統(tǒng)。該方法包括以下步驟步驟S201，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3所示，為本發(fā)明實(shí)施例的渦殼制作流程圖。步驟S202，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(jì)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(jì)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4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S201和S202之間沒有順序關(guān)系。步驟S203，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(bào)告。如圖5所示，為本發(fā)明實(shí)施例的全通道試驗(yàn)流程圖。如圖 6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。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)系統(tǒng)能夠部分地取代渦輪實(shí)物試驗(yàn)，縮短渦輪試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)風(fēng)險和實(shí)際試驗(yàn)的費(fèi)用。此外，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)系統(tǒng)還能夠?qū)u輪的氣動性能進(jìn)行分析和評估，指導(dǎo)渦輪的設(shè)計(jì)。本發(fā)明實(shí)施例對于實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)從“傳統(tǒng)型設(shè)計(jì)”到“預(yù)測型設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變有著重要的促進(jìn)作用。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)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，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(jì)算模塊、后處理模塊、試驗(yàn)報(bào)告及評估報(bào)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(jì)算模型；所述三維計(jì)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(jì)算模型進(jìn)行試驗(yàn)仿真，并在計(jì)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、溫度等；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(bào)告及評估報(bào)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(bào)告及試驗(yàn)平臺評估報(bào)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(jì)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。
2.一種采用如權(quán)利要求1所述的小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)的方法，其特征在于，包括以下步驟制作渦殼以生成渦殼三維模型和渦殼流體動力學(xué)模型； 制作試驗(yàn)件以生成試驗(yàn)件三維模型和試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型； 對所述渦殼流體動力學(xué)模型和所述試驗(yàn)件流體動力學(xué)模型進(jìn)行拼接以生成可用于氣動性能試驗(yàn)的計(jì)算模型，并根據(jù)設(shè)置的試驗(yàn)工況和試驗(yàn)工質(zhì)進(jìn)行全通道試驗(yàn)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種小型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪氣動性能虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，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(jì)算模塊、后處理模塊、試驗(yàn)報(bào)告及評估報(bào)告生成模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和用戶管理模塊。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)系統(tǒng)能夠部分地取代渦輪實(shí)物試驗(yàn)，縮短渦輪試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)風(fēng)險和實(shí)際試驗(yàn)的費(fèi)用。此外，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)系統(tǒng)還能夠?qū)u輪的氣動性能進(jìn)行分析和評估，指導(dǎo)渦輪的設(shè)計(jì)。本發(fā)明實(shí)施例對于實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)從“傳統(tǒng)型設(shè)計(jì)”到“預(yù)測型設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變有著重要的促進(jìn)作用。
文檔編號G06F17/50GK102184294SQ20111012119
公開日2011年9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)明者關(guān)勝如, 劉振德, 王維明, 郭昊雁, 陳寶延 申請人:北京動力機(jī)械研究所