專利名稱：小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統及試驗方法
技術領域：
本發明涉及發動機制造及設計技術領域，特別涉及一種小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統及試驗方法。
背景技術：
在小型渦輪發動機研制過程中，通過渦輪部件試驗獲得渦輪部件的真實特性，對于發動機總體性能的評估具有重要作用。虛擬試驗技術作為數字化的試驗技術，集成仿真技術、計算機技術、網絡信息技術、試驗技術等于一身，被認為是提高武器系統或產品研制水平，增強創新力和競爭力的有效技術手段。國外虛擬試驗技術在上個世紀八十年代開始興起，在國防領域尖端的武器系統研制之中應用較多，但在小型發動機虛擬試驗方面還未進行任何有效的研究。
發明內容
本發明提出了一種小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統及試驗方法。為達到上述目的，本發明一方面提出了一種小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統，包括三維造型模塊、流體動力學建模模塊、組裝模塊、三維計算模塊、后處理模塊、 試驗報告及評估報告生成模塊、數據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化建模功能的UG模塊建立試驗器渦殼三維模型和試驗件三維模型，其中，所述參數化建模為對渦殼、試驗件的幾何結構運用幾個結構參數進行的描述；所述流體動力學建模模塊用于根據三維造型模塊生成的渦殼三維模型和試驗件三維模型采用CFD軟件 (IcemCFD或TurboGrid)進行流體動力學模型的建立，以生成渦殼流體動力學模型和試驗件流體動力學模型；所述組裝模塊用于對流體動力學建模模塊生成的渦殼流體動力學模型和試驗件流體動力學模型按照實際的物理狀態進行組裝，以生成可用于氣動性能試驗的計算模型；所述三維計算模塊用于根據設置的試驗工況和試驗工質結合所述組裝模塊生成的用于氣動性能試驗的計算模型進行試驗仿真，并在計算之前，在關鍵截面設置監控點信息， 該信息主要包括監控點的位置及監控參數，如壓力、溫度等；所述后處理模塊用于根據試驗結果進行后處理分析，以獲得各個流面的參數分布及渦輪三維特性數據；所述試驗報告及評估報告生成模塊用于根據試驗結果及試驗情況進行總計，并完成試驗報告及試驗平臺評估報告；所述數據庫管理模塊用于對數據進行管理，對虛擬試驗的試驗模型、試驗工況參數、試驗結果數據、特性曲線、參數分布圖形進行存儲管理，并為用戶提供檢索，查詢和統計以及分析評估，其中，所述試驗模型包括渦殼三維模型、試驗件三維模型、渦殼流體動力學模型和試驗件流體動力學模型；所述用戶管理模塊用于對用戶實行權限管理，以使不同權限人員對虛擬試驗任務書、虛擬試驗方案、虛擬試驗模塊有不同的訪問、修改權限。本發明還提出了一種采用如上所述的小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統進行試驗的方法，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模型； 制作試驗件以生成試驗件三維模型和試驗件流體動力學模型；對所述渦殼流體動力學模型和所述試驗件流體動力學模型進行拼接以生成可用于氣動性能試驗的計算模型，并根據設置的試驗工況和試驗工質進行全通道試驗。本發明實施例的小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統能夠部分地取代渦輪實物試驗，縮短渦輪試驗周期，降低試驗風險和實際試驗的費用。此外，本發明實施例的小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統還能夠對渦輪的氣動性能進行分析和評估，指導渦輪的設計。本發明實施例對于實現發動機從“傳統型設計”到“預測型設計”的轉變有著重要的促進作用。本發明附加的方面和優點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，或通過本發明的實踐了解到。
本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為本發明實施例的小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統結構圖；圖2為本發明實施例的虛擬試驗方法流程圖；圖3為本發明實施例的渦殼制作流程圖；圖4為本發明實施例的試驗件制作流程圖；圖5為本發明實施例的全通道試驗流程圖；圖6為本發明實施例的制作試驗大綱子流程示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標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施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。本發明實施例的小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統通過搭建網絡化的虛擬平臺實現，以對小型渦輪發動機渦輪部件的氣動性能進行虛擬試驗，從而短渦輪試驗周期，降低試驗風險和實際試驗的費用。如圖1所示，為本發明實施例的小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統結構圖。該小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統包括三維造型模塊100、流體動力學建模模塊200、組裝模塊300、三維計算模塊400、后處理模塊500、 試驗報告及評估報告生成模塊600、數據庫管理模塊700、用戶管理模塊800。其中，三維造型模塊100主要采用具有參數化建模功能的UG模塊 (UnigraphicsNX)進行試驗器渦殼三維模型和試驗件三維模型的建立。在本發明的實施例之中，參數化建模即對渦殼、試驗件的幾何結構運用幾個結構參數進行描述，如長度、寬度、 厚度或直徑、半徑等。當該渦殼、試驗件的結構大小發生變化時，只需修改描述該渦殼、試驗件的參數值而不需要修改模型本身。其中，流體動力學建模模塊200根據三維造型模塊100生成的渦殼三維模型和試驗件三維模型采用CFD軟件(IcemCFD和TurboGrid軟件)進行流體動力學模型的建立，以生成渦殼流體動力學模型和試驗件流體動力學模型。其中，組裝模塊300用于對流體動力學建模模塊200生成的渦殼流體動力學模型和試驗件流體動力學模型進行組裝，生成可用于氣動性能試驗的計算模型。具體地，將可用于氣動性能試驗的渦殼計算模型與試驗件計算模型按照其實際的物理狀態進行拼接，使其變為一個可用于計算的完整模型。根據試驗任務書設置試驗工況、試驗工質。三維計算模塊400根據設置的試驗工況和試驗工質結合組裝模塊300生成的用于氣動性能試驗的計算模型進行試驗仿真。在試驗過程之中還可監控關鍵截面的參數變化。在計算之前，在關鍵截面設置監控點信息，該信息主要包括監控點的位置(三維坐標值)及監控參數，如壓力、溫度等。后處理模塊500根據試驗結果進行后處理分析，以獲得各個流面的參數分布及渦輪三維特性數據，并將試驗結果與渦輪實物試驗數據進行對比，獲得兩者之間的關系，例如獲得渦輪特性參數如效率、功率、流量等參數的差異。在本發明的實施例之中，后處理分析包括對各流面(Si流面、S2流面、S3流面)的各參數(總溫、總壓、靜溫、靜壓、速度、馬赫數等)分布的分析、各關鍵截面(葉片排進出口截面等)參數的分析、葉片損失系數、流線分布等。試驗報告及評估報告生成模塊600用于根據試驗結果及試驗情況進行總結，并完成試驗報告及試驗平臺評估報告。本發明實施例的小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統具有數據庫管理功能，可通過數據庫管理模塊700對虛擬試驗的試驗模型、試驗工況參數、試驗結果數據、特性曲線、參數分布圖形等信息進行存儲管理，并為用戶提供檢索，查詢和統計以及分析評估的功能。用戶管理模塊800用于對用戶實行權限管理，以使不同權限人員對虛擬試驗任務書、虛擬試驗方案、虛擬試驗模塊有不同的訪問、修改權限。該系統之中用戶權限共分為三類系統管理員、試驗者或設計者、瀏覽者。其中，不同權限人員對虛擬試驗任務書、虛擬試驗方案和虛擬試驗模塊有不同的訪問，修改權限。在用戶登錄進入小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統之后，系統根據預設的該用戶的權限確定該用戶可進行的操作范圍， 從而保證了數據庫數據的保密、可靠和一致。如圖2所示，為本發明實施例的虛擬試驗方法流程圖，該方法基于上述的小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統。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模型。其中，渦殼包括六個部件，分別是進口 l(jkl)、進口 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模型，最后由CFX合并六個部件的流體動力學模型，生成渦殼流體動力學模型。如圖3所示，為本發明實施例的渦殼制作流程圖。步驟S202，制作試驗件，生成試驗件三維模型和試驗件流體動力學模型。試驗件的制作根據選用網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計軟件創建靜葉和動葉的點文件，然后由UG軟件創建三維模型， 再由IcemCFD創建靜葉和動葉的流體動力學模型，最后由CFX合并靜葉和動葉的流體動力學模型，生成試驗件流體動力學模型。
方式二、TurboGrid方式首先由專門的設計軟件創建靜葉和動葉的點文件，然后由UG軟件創建三維模型， 再由TurboGrid創建靜葉和動葉的流體動力學模型，最后由CFX合并靜葉和動葉的流體動力學模型，生成試驗件流體動力學模型。。如圖4所示，為本發明實施例的試驗件制作流程圖。需要說明的是在本發明實施例之中，步驟S201和S202之間沒有順序關系。步驟S203，進行全通道試驗。首先合并渦殼流體動力學模型和試驗件流體動力學模型，然后通過設置工況參數和工質參數在合并后的渦殼和試驗件上開始試驗，試驗后進行后處理分析，并生成試驗報告。如圖5所示，為本發明實施例的全通道試驗流程圖。如圖 6所示，為本發明實施例的制作試驗大綱子流程示意圖。本發明實施例的小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統能夠部分地取代渦輪實物試驗，縮短渦輪試驗周期，降低試驗風險和實際試驗的費用。此外，本發明實施例的小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統還能夠對渦輪的氣動性能進行分析和評估，指導渦輪的設計。本發明實施例對于實現發動機從“傳統型設計”到“預測型設計”的轉變有著重要的促進作用。盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求
1.一種小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統，其特征在于，包括三維造型模塊、 流體動力學建模模塊、組裝模塊、三維計算模塊、后處理模塊、試驗報告及評估報告生成模塊、數據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化建模功能的UG模塊建立試驗器渦殼三維模型和試驗件三維模型，其中，所述參數化建模為對渦殼、試驗件的幾何結構運用幾個結構參數進行的描述；所述流體動力學建模模塊用于根據三維造型模塊生成的渦殼三維模型和試驗件三維模型采用CFD軟件(IcemCFD或TurboGrid)進行流體動力學模型的建立，以生成渦殼流體動力學模型和試驗件流體動力學模型；所述組裝模塊用于對流體動力學建模模塊生成的渦殼流體動力學模型和試驗件流體動力學模型按照實際的物理狀態進行組裝，以生成可用于氣動性能試驗的計算模型；所述三維計算模塊用于根據設置的試驗工況和試驗工質結合所述組裝模塊生成的用于氣動性能試驗的計算模型進行試驗仿真，并在計算之前，在關鍵截面設置監控點信息，該信息主要包括監控點的位置及監控參數，如壓力、溫度等；所述后處理模塊用于根據試驗結果進行后處理分析，以獲得各個流面的參數分布及渦輪三維特性數據；所述試驗報告及評估報告生成模塊用于根據試驗結果及試驗情況進行總結，并完成試驗報告及試驗平臺評估報告；所述數據庫管理模塊用于對數據進行管理，對虛擬試驗的試驗模型、試驗工況參數、試驗結果數據、特性曲線、參數分布圖形進行存儲管理，并為用戶提供檢索，查詢和統計以及分析評估，其中，所述試驗模型包括渦殼三維模型、試驗件三維模型、渦殼流體動力學模型和試驗件流體動力學模型；所述用戶管理模塊用于對用戶實行權限管理，以使不同權限人員對虛擬試驗任務書、 虛擬試驗方案、虛擬試驗模塊有不同的訪問、修改權限。
2.一種采用如權利要求1所述的小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統進行試驗的方法，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模型； 制作試驗件以生成試驗件三維模型和試驗件流體動力學模型； 對所述渦殼流體動力學模型和所述試驗件流體動力學模型進行拼接以生成可用于氣動性能試驗的計算模型，并根據設置的試驗工況和試驗工質進行全通道試驗。
全文摘要
本發明提出了一種小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統，包括三維造型模塊、流體動力學建模模塊、組裝模塊、三維計算模塊、后處理模塊、試驗報告及評估報告生成模塊、數據庫管理模塊和用戶管理模塊。本發明實施例的小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統能夠部分地取代渦輪實物試驗，縮短渦輪試驗周期，降低試驗風險和實際試驗的費用。此外，本發明實施例的小型渦輪發動機渦輪氣動性能虛擬試驗系統還能夠對渦輪的氣動性能進行分析和評估，指導渦輪的設計。本發明實施例對于實現發動機從“傳統型設計”到“預測型設計”的轉變有著重要的促進作用。
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 優先權日2011年5月11日
發明者關勝如, 劉振德, 王維明, 郭昊雁, 陳寶延 申請人:北京動力機械研究所