航空發動機主燃燒室試驗數據庫的構建

林宏軍，馬宏宇，程明

（中航工業沈陽發動機設計研究所,沈陽 110015）

0 引言

航空發動機主燃燒室中的燃燒過程非常復雜，包括氣體流動和摻混、燃料噴射和混合（液體燃料還有霧化和蒸發過程）、化學反應、燃氣的輻射和對流、傳熱和傳質等各種現象[1-2]。由于主燃燒室內燃燒過程的復雜性，難以完全掌握燃燒各過程的機理，因此,以往燃燒室的設計主要依靠大量的試驗和經驗積累[3]。隨著燃燒技術的基礎研究和應用研究不斷完善和發展，對燃燒現象的理解進一步深入，研究手段、計算機技術的提高以及計算燃燒學的發展，使主燃燒室設計達到了經驗分析、試驗驗證和計算分析相結合的水平。但是經驗分析、計算分析的準確度仍需通過大量的試驗數據進行修正，主燃燒室的設計方案亦需通過試驗進行驗證，燃燒試驗對于燃燒室的機理研究和型號研制仍具有重要作用。

隨著航空發動機技術的發展，主燃燒室研制過程中試驗分類細化，試驗數據量隨之增加，如何集中、有效地保存和管理燃燒試驗數據，提高試驗數據對燃燒室設計的指導作用，成為主燃燒室設計和試驗的重要研究方向。本文主要針對主燃燒室試驗的特點，結合數據采集和管理的實際需要，對構建航空發動機主燃燒室試驗數據庫的關鍵技術和開發中應考慮的問題進行了闡述。

1 主燃燒室試驗項目

在主燃燒室設計過程中，試驗涵蓋主燃燒室流場結構、零部件性能、燃燒室綜合性能、燃燒室結構強度等多方面內容[4]。由常溫、常壓到降壓模擬（高溫高壓）狀態，最終達到全溫、全壓的試驗狀態。按照設計研發的過程，通常將主燃燒室研制劃分為5個階段：方案設計、詳細設計、性能考核/排故、定型生產和燃燒室發展階段。在主燃燒室研制過程中主要開展的試驗項目以及與其對應的研究階段見表1。

表1 主燃燒室主要試驗項目

2 主燃燒室試驗數據庫設計思路

2.1 數據庫設計需求分析

主燃燒室試驗數據庫的設計目標是儲備試驗數據和對比、總結相關規律，以用于指導主燃燒室的設計和優化。為此，試驗數據庫應初步實現對包括原始數據、文本、圖片/圖紙、錄像、聲音等在內的試驗數據進行分級管理、搜索、調取和應用的功能，并在設計上滿足如下要求。

（1）具有動態建庫、數據分類管理、數據導入導出、數據查詢、數據分析與處理功能，以及實現系統的管理、數據備份、權限控制功能及其應用[14－15]；

（2）對原始數據(經程序處理過的提供給設計的數據)完全保存，并可根據需求進行提取和處理；

（3）良好的數據管理和后處理功能，數據管理靈活，能夠有選擇性采用多種方式進行數據處理，可采用列表、曲線或圖像（包括云圖）等方式進行顯示；

（4）可以對多組試驗數據進行同時顯示和比較；

（5）用戶界面簡單明了，整潔實用；

（6）數據庫自身具有良好的兼容性、開放性、可維護性和擴充性；

（7）具有良好的保密性，針對不同用戶設置不同權限，根據使用部門的不同制定不同的管理界面和數據查詢界面，便于不同用戶開展工作；

（8）實現客戶端與服務器的交互，支持多用戶并行操作，可以有選擇地處理和下載數據。

2.2 數據庫結構

為實現數據庫內數據的高效使用、靈活管理、支持多用戶操作，并盡可能地簡化數據庫結構，在試驗數據庫的設計中采用B/S（客戶端瀏覽器——服務器）數據庫構架[5-6]，如圖1所示。其中數據庫包含試驗的全部數據，是數據交互的基礎。業務邏輯層（或業務服務器）通過“分級權限管理”的機制來管理數據的入庫存儲、調取和處理，并對數據庫用戶的權限進行管理。界面層是使用層面，是用戶與數據庫交互的界面，由于各用戶的需求或權限的不同，界面層將實現不同應用功能。

圖1 B/S模式的數據庫架構

2.3 數據構成分析

主燃燒室試驗數據庫中管理的內容應包含試驗數據和試驗相關信息，數據類型涵蓋試驗數據、數組、文本、圖片/圖紙、視頻、音頻等多種形式，主要內容如下[11-13]。

（1）試驗任務信息（試驗的任務書和大綱）。

（2）試驗件信息（試驗件的名稱、結構參數、特征參數、圖紙，同一編號試驗件不同狀態下的結構對比等）。

（3）試驗臺和測試能力信息（試驗臺的能力和可進行的試驗項目、測試設備數據、實時狀態等數據）。

（4）試驗標準和測量標準。

（5）試驗類型信息（例如性能試驗、結構試驗等）。

（6）試驗信息（包含試驗狀態、設備狀態、試驗人員、試驗中出現的現象和排故過程）。

（7）試驗測試數據（經過2次儀表處理的原始數據、圖表等）。

（8）試驗分析數據（分析處理后的試驗數據、曲線和圖像等）。

相關數據在試驗數據庫中以結構樹的形式進行管理,數據的層次和相互關系如圖2所示。在層次結構中，任務的來源（項目）為試驗數據管理的頂層，在同一任務來源中可以有多項試驗任務（以試驗編號區分）；1項試驗任務可以分為多個試驗項目；每個試驗項目中包含同一類試驗的1次或多次試驗數據記錄；每次記錄數據有惟一的編號確定，同時記錄數據亦可為多組試驗數據構成數據集。而分析數據是在測試數據的基礎上處理獲得的圖表、曲線或云圖。

圖2 數據關系

3 數據庫基本功能的構建

結合不同用戶對數據庫功能的需求，主要針對數據的管理、查詢、處理和權限管理等數據庫功能進行設計和開發。

3.1 數據管理功能

數據管理功能主要實現數據管理人員對數據庫系統的維護和數據入庫等，主要包括如下基本功能。

（1）數據信息的建立和數據庫屬性定義。

a.預先建立數據庫管理所必需的基本信息，為數據的入庫管理、數據的劃分和在數據庫中規范使用基本信息給出關鍵詞。

b.定義數據庫的屬性。對試驗數據庫的一些特性通過定義進行確定和修改，實現對試驗數據庫的靈活使用和管理。

（2）數據入庫和建立數據關系。

a.實現數據實時入庫和文件數據的入庫功能。實時入庫是指利用分布式網絡，將經過數采程序計算后的原始數據，通過網絡傳輸并按照其屬性和已規定的固定格式分別入庫，實現數據的實時采集和入庫。文件入庫是指將數據按一定的語法規范整理為文件，通過導入程序的解析將文件中的信息按指定的數據屬性分解為數據、數組、字符、圖片、圖像、文檔等類型入庫，為數據庫建立數據資源。試驗件、試驗設備、試驗標準、試驗任務書和試驗大綱等文本文件和圖片等數據通常只能采用文件入庫。

b.建立數據關系。為管理、查詢和數據應用建立對應關系，數據的關聯關系應在數據入庫時建立。相關數據建立對應關系，如試驗說明與相關的試驗數據關系、試驗數據與對應的試驗分析數據關系等。

3.2 數據查詢功能

數據查詢是數據庫系統應用的基礎，試驗數據庫應具備以下查詢功能[7]。

（1）支持對元數據的多種查詢方式。

能夠對數據進行層次查詢、條件查詢等多種方式查詢，并可對查詢出的數據進行一定條件的2次過濾篩選。能夠對各種數據進行關聯查詢，即通過1種數據查詢到相關聯的數據，包括一對一、一對多、多對一等方式。

（2）支持對多種類型元數據的查詢。

能夠對多類型的元數據進行查詢，包括字符、數據、多維數組、文檔、圖片、圖像等，并能按用戶需求對數據進行動態回放；能根據用戶的權限和需求對查詢數據按用戶選擇和要求的格式輸出到文件，以提供其他分析使用；可對圖片輸出，并且能夠為后置處理提取相應的數據進行繪圖。

3.3 數據處理功能

試驗數據大多以數據流的形式存在，只有將試驗數據按照一定要求處理為曲線、分布圖像、云圖等形式，才能為數據提供最直觀的分析方式，作為試驗數據庫的主要功能，數據處理功能應滿足如下要求。

（1）圖形處理能力。

a.曲線處理能力：對選擇的數據按需要進行組合、排序，并繪制X Y圖、等值線圖（2 D圖）等多種曲線輸出；能夠以不同顏色或線形區分多組曲線，能夠將多條曲線分多個窗口顯示，也可將多組曲線在同一窗口對比顯示。

b.特性曲線的定制：通過定制建立各特性線（如燃燒室進口速度與點火余氣系數曲線）的數據關系，用戶在查詢及選擇出分析所需的數據后，通過相應的特性線控件即可繪制出所需特性線。

c.特征場的處理能力：針對主燃燒室試驗中對燃燒室出口溫度場、燃燒效率分布、燃燒室壁溫場等特征場的關注，在主燃燒室試驗數據庫設計中力求實現在試驗件空間坐標與試驗測量數據間建立對應場分布的顯示，顯示形式可以為云圖、等高線圖或標注等高線圖，其功能可實現單次試驗數據的處理，亦可將多次試驗的結果分多個窗口顯示。數據庫的云圖繪制功能如圖3所示。

圖3 數據庫的云圖繪制功能

（2）數學處理功能。

系統應能夠對試驗數據進行數學處理，以便設計人員能夠對試驗數據進行一定分析，并在數學處理后對數據進行再繪圖、曲線外推和規律總結。

a.系統應能實現對查詢出的數據按用戶需要進行組合、排序、篩選，能夠進行求和、求平均值、插值、擬合、平滑等多種數學處理。

b.在系統中應能夠對數據進行數學公式計算，允許手工建立數學計算公式，并能對其進行語法檢查；在數據查詢中可顯示已建立的數學計算公式，并可選擇相應數學計算公式，將選擇的數據帶入到計算公式進行計算分析。

3.4 權限管理功能

為了確保數據安全及數據庫系統的穩定，在試驗數據庫的構建過程中應考慮對不同用戶進行身份登記和確認，并對其權限進行控制。

（1）用戶權限管理。

根據用戶身份和對試驗數據庫使用需求的不同，建立不同的使用權限的賬號。主要包括數據庫管理、試驗室管理、試驗室、設計室管理、設計室、試驗管理用戶，除數據庫管理用戶可實現對數據庫的全局管理和權限分配外，其他用戶只能對各自所涉及的數據進行處理、瀏覽或進行其他操作。

（2）域名控制。

域名控制是對在1個工作域的用戶賦予數據管理權限或瀏覽權限，限制或阻止其他工作域的用戶訪問數據庫。

3.5 數據備份與恢復

試驗數據庫系統應定期對數據庫中的數據進行備份，確保數據庫在出現問題時數據及時恢復，防止由于系統出現意外故障而造成數據信息丟失。

4 數據庫系統的實現

航空發動機主燃燒室試驗數據庫系統依據B/S架構進行設計和構建，設置獨立的服務器，并采用域名限制的安全防護措施，具有較好的網絡交互性能和安全性；數據庫的后臺軟件采用Oracle數據庫系統，服務器操作系統為Windows操作系統，從而確保軟件的可移植性、安全和效率；同時，基于面向對象和可視化技術的用戶界面的開發，系統軟件的編程采用JAVA語言[8-10]。

5 結束語

建立航空發動機主燃燒室數據庫,可以集中大量試驗數據并有效管理，實現試驗數據快速查詢和有效分析。通過試驗數據的不斷積累、規律的不斷總結,可為發動機主燃燒室設計提供可靠、豐富的數據基礎,并為主燃燒室的仿真設計提供必要依據；同時通過長時間使用，主燃燒室數據庫的功能也將更加完善。

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