航空發動機燃燒室參數化建模

石夢華，趙堅行，顏應文，徐 榕

（南京航空航天大學 能源與動力學院，南京 210016）

0 引言

隨著航空發動機性能的不斷提高，對燃燒室的要求愈加苛刻，傳統設計方法很難滿足現代航空發動機燃燒室的設計要求，迫切需要引入現代設計方法，以實現更成功的設計并縮短設計周期，設計-分析一體化(CAD-CAE)方法應運而生。該方法的一般策略是：采用通用造型軟件（如UG、CATIA等）進行實體建模，導出1個中間通用格式(STEP,IGES等)的文件，然后再用網格劃分軟件（如ICEM、GAMBIT等）讀取前面所建合適的實體模型文件進行網格劃分，或者直接在上述帶有造型功能的網格劃分軟件中進行實體建模和網格劃分工作，做完所有的前處理后再用CFD軟件進行流場計算。

本文針對航空發動機燃燒室開發了專用的CFD前處理軟件。

1 CFD前處理的意義

在CAD-CAE設計方法中，實體建模和網格生成要占CFD分析中人工時間的80%[1]，而且專業性很強，即實體建模和網格劃分成為CAD-CAE現代設計方法中的1個瓶頸。這個問題由Samareh[2]正式提出，劍橋大學CFD實驗室的W.N.Dawes等針對這一問題，提出通過修改不良幾何形面以滿足網格自動生成所需條件，并且開發了一些半自動的工具[3]，但仍需較多依賴實踐經驗，其研究主要針對通用的CAD模型，希望能夠找到1種CAD模型快速轉換到網格的通用方法，難度相當大。出于工程應用考慮，一些科研人員改變策略，針對某一特定模型開發出專用的CFD前處理工具。例如李中云等人開發了風機的參數化建模-網格組合的專用模塊，將參數化設計系統與GAMBIT捆綁起來，用戶輸入模型結構參數后，程序將啟動GAMBIT程序，自動進行實體建模、網格劃分和邊界條件設定等，最終可以輸出網格文件，用于CFD計算[4]。呂煊等人則進一步將CFD軟件也整合到設計系統中[5]，利用了商業軟件GAMBIT與FLUENT中jounal[6]功能結合Windows操作系統的批處理功能實現參數化設計，在整個設計過程中,將GAMBIT與FLUENT作為1個模塊，在不調用圖形界面的情況下，將GAMBIT的輸出參數作為FLUENT的輸入參數，并將在FLUENT中后處理的結果作為目標函數。給定了輸入參數后，中間的幾何建模、網格生成與CFD計算直至輸出后處理結果均自動完成。

上述研究雖不屬于航空發動機領域，但其高效的前處理方法值得借鑒。目前在CFD應用領域還缺乏專用于航空發動機燃燒室的高效前處理工具。開發燃燒室專用的CFD前處理工具，提供從構建模型到生成網格的有效途徑，快速完成燃燒室CFD的前處理工作，能夠有效提高燃燒室設計效率，縮短研制周期。

2 參數化設計系統

在傳統設計過程中，對于每個新產品都需要重新實體建模，然后對模型進行數值模擬，不斷地修改，最后定型，設計周期較長。

參數化設計通過修改圖形中的某一部分或某幾部分的尺寸或修改已定義好的零件參數，自動完成對圖形中相關部分的改動，從而實現對圖形的驅動(即參數驅動),便于用戶修改和設計。用戶在設計輪廓時只需將零件的關鍵部分定義為某個參數，通過對參數的修改來實現對產品的設計和優化。

燃燒室內部構造具有大量相似的特征參數，具有繼承性和連續性。因此，在燃燒室設計過程中，使用參數化設計能充分利用已有資源,從而提高工作效率。

實現參數化設計具有多種策略，可利用現有的專業軟件對其進行2次開發，也可直接利用通用語言編寫代碼建立模型并畫出網格。本文采用后1種策略，開發專用于航空發動機燃燒室的參數化建模程序，其建模和網格生成效率較高，且具有完全自主知識產權。

2.1 系統總體架構

針對現有CAD設計系統特點及CFD應用中所存在的問題，設定系統功能如下。

（1）3維可視化。隨著計算機硬件技術的不斷提高和數字化3維設計技術的成熟，現有流行的CAD軟件全部實現了3維建模功能，因此本系統也立足于這一基本技術起點，實現模型動態的3維顯示與操作。用戶通過直觀的3維模型，對所設計的產品結構與功能的理解更為深刻，為實現成功的設計提供了基本保證。

（2）完善的建模能力。參考現有CAD軟件的建模模塊，把能夠建立任意復雜3維模型作為開發目標，本設計系統具備所有基本3維圖的繪制能力，以及一些較復雜圖形生成能力，保證能完整地描述航空發動機典型零部件外形結構。

（3）快速智能的建模過程。針對航空發動機燃燒室及相關零部件的結構特征，將特定部件的外形結構尺寸進行參數化鏈接，使生成的模型能夠實現尺寸驅動，通過修改其中的某一尺寸，即可立即更新模型形狀，而無需進行繁瑣的修改甚至是重新建模，顯著提高特定部件的建模效率與質量。

為滿足以上功能要求，系統采用Visual C++在Windows平臺上進行開發，利用OpenGL作為開發工具來完成圖形的繪制和渲染、光線和環境的設置。

確定建模程序的工作機理：首先編寫描述燃燒室幾何外形的腳本文件（含有參數信息）；然后由建模程序解釋該文件，并依次執行其中的各條命令，調用幾何庫并最終在窗口中顯示3維模型。若需要更改幾何外形，只需修改腳本中的參數值，程序便能快速重新生成3維模型并加以顯示，從而實現參數化建模。

本系統的腳本格式參照Gambit jounal腳本，建立1套合理的腳本語言，具備描述1個實體模型需要點、線、面、體等基本元素，此外加入控制模型幾何外形需要的參數信息，并與Gambit的腳本兼容，以便實現模型能順利導入Gambit進而劃分網格。程序通過解釋腳本來執行操作，所有設計信息都包含在腳本當中，包括所有幾何描述和網格信息等。腳本中的參數由設計者給出，當相關參數設置完成后，運行程序，程序逐一解釋腳本，執行相關操作，最后生成設計者想要的幾何模型。設計者可以對在屏幕中顯示3維模型進行各種交互操作，包括縮放,旋轉等。基于UG/Open GRIP語言，設計1個數據轉換接口，將本系統的腳本自動轉換成GRIP程序，經編譯即可在UG中打開設計模型，實現2個系統間的數據共享。

2.2 腳本及實體顯示

用以描述幾何外形的腳本必須遵守一定的語法規則，本系統參考Gambit的腳本文件的命令格式，主要選取其中關于幾何建模的相關命令，包括點、線、面、體的構建和移動復制等，并進行了相應的擴展。

程序在讀取腳本后，逐行翻譯腳本語言，每條語句解讀也是從第1個字符開始逐一向下解讀，讀取到不同的特殊字符，便會進行相應操作，腳本的解讀流程如圖2所示。

語句的首個字符包括參數（var）、點（vertex）、邊（edge）、面（face）、體（volume），只要在以后的語句中發現對應參數，用參數值將其替換即可。而對于幾何特征，在讀取到第1個字符后分別轉入點、線、面等的相關操作，并判斷下一字符，包括構建（create）、移動（move）、刪除（delete）等。構建命令則進一步包括多個子類，如體的構建的種類（如圖3所示）。程序針對不同的構建類型調用相關模型庫，進而生成實體。

分析燃燒室的幾何外形，構建各零部件主要用到了體的拉伸、旋轉以及體與體直接的布爾運算等。

（1）首先為了實現參數化，必然要在腳本中以參數代替具體的值，所以本腳本定義了參數的初始化格式，例如：

例如下面的生成點的腳本語句，將其坐標值以參數代替，形式如下：

式中：0[“Rn”-“Wn”/2]0即為該點的參數化坐標。

式中：volume為生成體的名稱；face為欲旋轉的面名稱；angle為旋轉角度；vector和origin共同組成拉伸向量；edge為拉伸所沿的直線。

例如：

旋轉生成的體如圖4所示。

（2）拉伸體命令：volume create[volume]translate face rector real1 real2 real3

式中：real1、real2、real3為拉伸向量。

潤光養生美容酒是中醫養生美容專家李潤光教授在祖傳養生美容寶典《回春部》的基礎上,結合現代中醫養生美容理論研制出來的一種可供內服、外用的酒劑。它主要由烏梅、桂圓肉、枸杞、陳皮、黑棗、茯苓、佛手、羅漢果、山楂、花椒等中藥經露酒浸泡制得。前期,本課題組已對其急性毒性以及抗炎鎮痛作用進行了研究,結果表明該酒的臨床常用口服劑量是安全的以及該酒具有顯著的抗炎鎮痛作用[1]。本研究利用30天喂養試驗評價該酒的亞急性毒性,為進一步開發利用該酒提供基礎。

拉伸實例如圖5所示。

（3）體之間求差：volume subtract volume1 volumes volume2[volume3...]

式中：volume1 為原體；volume2[volume3...]為工具體。

例如：

volume create“VOL1”revolve“FACE1”angle 6 vector 100 origin 000

volume create“VOL2”height 8 radius14 radius34 yaxis frustum//生成圓柱體

volumemove“VOL2”angle20vector001origin000

volume move“VOL2”offset 1803300

volume subtract“VOL1”volumes“VOL2”

結果如圖6所示。

（4）體之間求和：volume unite volume1 volumes volume2[volume3...]

（5）考慮到火焰筒上的主燃孔和摻混孔的繪制是循環復制產生的，為了簡化腳本命令，添加了DO循環語句。

例如：

式中：N為開孔的數目，是可調的，在腳本之初可定義其數值大小。

3 燃燒室的參數化建模

本文的研究對象為環形燃燒室，包括突擴擴壓器、火焰筒和內外環冷卻通道等。考慮到燃燒室流場周向的對稱性以及為了提高計算效率，環形燃燒室流場計算一般只選取1個頭部單元即可，本設計為20個頭部，即選取18°范圍內的燃燒室結構進行建模，另外應選取合適的單元，避免火焰筒上內、外環上的主燃孔和摻混孔被所選的單元截面分成不完整的孔。直接對完整的燃燒室進行參數化建模是不可取的。因為燃燒室幾何結構復雜，建立其各結構尺寸的關系鏈難度相當大，同時給后來的網格生成和程序編制帶來麻煩。因此，有必要對燃燒室結構進行適當簡化處理，在此略去了旋流器等結構，并且對一些曲線做了簡化，對簡化的燃燒室結構（如圖7所示）進行參數化建模。

選擇對燃燒室性能有重大影響的關鍵結構尺寸作為參數，對燃燒室結構進行分析。

主要參數如下：Do燃燒室外徑，mm；Di燃燒室內徑，mm；Hc燃燒室高度，mm；Lc燃燒室軸向長度，mm；DLo火焰筒外環直徑，mm；DLi火焰筒內環直徑，mm；HL火焰筒高度，mm；LL火焰筒軸向長度，mm；Hano外環高度，mm；Hani內環高度，mm；Θ 火焰筒軸線夾角，°；na頭部及噴嘴數量；npho外環主燃孔數量；dpho外環主燃孔直徑，mm；nphi內環主燃孔數量；dphi內環主燃孔直徑，mm；ndho外環摻混孔數量；ddho外環摻混孔直徑，mm；ndhi內環摻混孔數量；ddhi內環摻混孔直徑，mm。

這樣，在描述燃燒室結構的腳本中，各關鍵點的位置可以用各種參數之間的關系進行描述，例如

程序在解釋腳本過程中，根據設置的參數進行函數運算，調用OpenGL幾何庫，即可生成參數化的燃燒室3維模型。

使用本軟件對燃燒室進行設計時，無需從頭開始建模，描述燃燒室幾何形狀的腳本中的具體尺寸值已參數化，在建立腳本時即定義了參數表，使用時只需填入參數表中的具體參數值即可。設計完成后的優化調整，也只需通過調整個別參數即可自動更新模型，而無需重新建模。

由本系統所生成的燃燒室實體模型如圖8所示。

4 數據轉換接口

為滿足使用者對于CAD數據文件轉換的要求，本文開發了1個簡單實用的數據轉換工具。即利用UG的2次開發語言模塊UG/Open GRIP，將本設計系統的腳本文件翻譯成GRIP源程序，經GRIP編譯器的編譯及鏈接后，在UG環境下打開模型文件。

UG/Open GRIP是UG軟件包中的1個模塊，是UGS公司提供的1個用于UG2次開發的軟件工具，具有簡單、方便操作的特點。利用GRIP程序，可以完成與UG的各種交互操作。例如，調用一些實體生成語言，創建幾何體和制圖實體，可以控制UG系統參數，實現文件管理功能，可以存取UG數據庫，提取幾何體的數據和屬性，編輯修改已存在的幾何體參數等。此外，與一般的通用語言一樣，GRIP語言有完整的語法規則、程序結構和內部函數等。

在GRIP語言中，與本系統腳本文件不同的是，程序中欲生成的實體都需要在程序開頭對其變量名進行申明，實體變量的說明語句為

式中：name 是實體變量名；dim1、dim2、dim3 等是實體變量的維數。

例如：

另外，在做實體拉伸和旋轉時，本系統的腳本語言要求拉伸的對象必須是已創建的面，而在GRIP中則只需選取1組封閉的線條即可，示例如下

轉換成GRIP語言后，語句就變成

在語句轉換時需要注意。

上文中本系統建立的燃燒室，經轉換工具轉換后，在UG中打開效果如圖9所示。

5 結束語

（1）開發高效快捷的CFD前處理工具，以解決制約CFD充分發揮潛力的實體建模和網格生成瓶頸問題。

（2）借鑒現有工程實踐經驗，針對航空發動機開發人機交互的燃燒室參數化設計系統，能夠快速生成不同參數的燃燒室模型，并優化幾何外形以便于自動生成網格供流場計算程序使用，有助于提高燃燒室的設計效率，縮短其設計周期。

（3）本設計系統的模型構建能力比較有限，因此對燃燒室外形做了較多簡化；為了提高對復雜模型的描述能力，應進一步開發對復雜幾何特征的描述方法。

（4）本參數化設計思想對于解決工程實際問題具有現實意義。在進一步開發后，本系統可以實現對更廣泛的航空發動機部件的快速參數化設計。

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