航空發動機整機三維氣動仿真研究進展

■ 溫泉 李義進 劉婷 衛剛 付強 / 中國航發研究院

未來先進航空發動機的設計研發對設計精度、性能和周期等各方面有更高的要求，迫切需要整機三維氣動仿真技術的支撐。現有的整機全三維仿真技術各有其優劣勢，后續的技術發展需要在仿真資源、精度和技術難度等方面統籌考慮。

在部件設計完成后，雖然通過了部件級的仿真驗證，但仍須進行大量部件級和整機性能試驗，以確保單個部件及整機的性能滿足一維設計要求。這種部件級和整機試驗周期長、費用高，若測試得到的性能不滿足設計要求，須重新進行詳細設計，導致設計過程反復拖延進度，迫切需要發展整機三維氣動仿真技術。

整機全三維仿真技術概況

計算流體力學（CFD）發展至今，在數值算法、模型和仿真工具等方面均取得了重大突破，加之高性能計算的普及應用，使得對發動機整機進行三維氣動仿真成為可能。通過整機仿真可以提高發動機整機設計精度和水平，大幅縮短設計周期，具體表現在以下兩個方面。

第一，模擬整機在復雜環境或極端條件下的性能。通過整機全三維仿真，可以了解整機匹配下發動機的流場細節，如發動機各種間隙流動情況、部件間匹配情況、冷卻空氣的分配情況等，也可以驗證當某個部件部分缺失、超溫或超速情況下的整機全三維性能，以及發動機在高空低雷諾數的整機全三維性能。

圖1 多程序耦合求解模式

第二，輔助整機試驗設計，部分替代試驗。整機仿真的結果可以指導發動機整機試驗的探針布局，以便提高測試效率及有效性、降低整機試驗風險，縮短整機試驗周期。此外，在部件詳細設計后即可開展整機仿真，預先評估部件之間的匹配狀態，進行風險評估，指導整機的優化設計方案；進一步在各部件工程設計后，預測發動機整機性能，提前發現技術風險。

整機全三維仿真可以分為基于總體仿真程序的整機仿真、采用單一程序進行獨立計算和采用多程序耦合計算，這3種模式都有各自的優缺點。

基于總體仿真程序的整機仿真，優點是可以利用已有總體數據進行部件邊界賦值加速迭代收斂，實現功率平衡等。缺點是在實現不同精度模型之間的邊界傳遞時，需要對不同精度模型之間的物理聯系有深刻理解。

單程序計算模式采用單一程序對整機氣動與燃燒性能進行模擬仿真。該方法操作簡單，并行效率高。但現階段，主要是各大商業軟件ANSYS、NUMECA等整合自身資源建立的整機仿真平臺，能實現同時對航空發動機三大部件進行高效的計算，缺點是對新構型發動機整機仿真受到限制且增加新模型比較困難。

采用多程序耦合計算模式進行整機氣動和燃燒仿真的方式較為普遍。這種模式可整合氣動和燃燒領域最好的求解程序，通過一個耦合器，實現信息實時交換，如圖1 所示。交界面處理程序目前有商業的、自用的和開源的交界面處理方法，如斯坦福大學的CHIMPS、MpCCI 商 業 接 口、CORBA 異 構 多學科耦合、歐洲科學計算研究中心（CERFACS）和法國國家航空航天研 究 院（ONERA） 的OpenPALM、PreCICE 等，能夠支持耦合和插值算法，包括多物理場耦合，時間異步計算，多平臺、多網絡環境下高效率并行計算，如表1 所示，在現有的程序基礎上易實施。交界面處理程序的缺點是需要適配不同的求解器程序，對有源碼求解器程序適配相對容易，對有二次開發功能求解器程序適配則比較困難，而完全閉源的求解器程序適配只能通過現有的文件且并行效率較低。

表1 開源和商用交界面處理程序

一直以來，很多的科研團隊都在從事“虛擬樣機模擬”的研發工作，最近幾年商業軟件公司也在不斷宣傳整機仿真概念，均對3類整機仿真技術分別進行了大量的探索和研究，并圍繞各類發動機型號開展了技術驗證。

基于總體仿真程序的整機仿真

最早的發動機整機模擬來自于1998年霍爾等[1]的研究，使用ADPAC和NEPP方法對發動機的低壓（LP）系統進行穩態模擬。ADPAC 求解了三維雷諾平均方程（RANS），使用混合平面來模化轉子葉片/靜子葉片相互作用。NEPP 是一種一維穩態熱力學性能建模工具。霍爾采用了將低壓系統模擬與NEPP 循環核心仿真耦合的方法，實現了不同軸轉速下氣動和機械的耦合過程。

2003年，圖爾納等[2]使用APNASA、NCC和NPSS熱力學循環建模系統，模擬了GE90發動機在定常條件下馬赫數（Ma）0.25和海平面起飛工況下的運行情況。其模擬范圍包括風扇、增壓器、高壓（HP）壓氣機、圓周角為24°的燃燒室、高壓渦輪和低壓渦輪。圖爾納等通過對三維計算流體力學（CFD）模擬的周向平均，再與循環分析相結合，得到部分整機特性曲線。在初始條件下，CFD計算的邊界條件由循環分析確定，而后生成部分特性曲線圖再輸入到循環分析程序中。圖2為GE90-94B發動機整機模擬結果。

克勞斯等人[3]還對GE90發動機進行了完全耦合仿真，其中渦輪采用一維性能計算程序AXOD計算，能夠對堵塞工況進行處理，從而獲得更加準確的高壓渦輪仿真結果。在進行整機仿真時，通過迭代實現邊界條件更新，然后將三維氣動仿真結果與循環分析相結合，當邊界條件的變化小于指定的容差時，迭代終止。克勞斯得到的計算結果和試驗數據總體相符合。

圖2 GE90-94B整機仿真云圖[2]

圖3 燃氣輪機核心機模擬[4]

基于交界面處理的整機仿真

2000—2007年，美國斯坦福大學湍流研究中心（CTR）在美國能源部先進仿真與計算倡議（ASCI）項目的支持下，集中對航空發動機跨部件三維數值方法開展了研究，重點解決了兩部件不同程序之間的集成問題，并進行了測試和示范性的應用。例如，當燃燒室（NCC程序）和高壓渦輪（TFLO程序）采用不同的仿真程序時，實現跨部件數值仿真需要解決這兩個程序間交界面處理的問題。他們采用的是耦合多處理器求解器處理，即通過消息傳遞接口程序（MPI），建立多仿真程序并行同步通道，實現數據交換、時間同步以及當網格相對位置變化時重新初始化通信數據等功能。在交界面兩側的仿真程序需要通過插值給定相互的流動條件，達到交界面變量守恒。

2003年CTR進一步開展研究，解決了交界面并行通信處理以及大渦模擬（LES）和雷諾平均模擬之間聯合仿真的交界面邊界條件處理等關鍵技術，最后通過簡單流動測試算例證明了基于交界面處理信息技術的可行性及跨部件耦合計算的優勢。2005年，CTR將其耦合計算模塊發展成為高性能集成多物理仿真耦合器（CHIMPS），基于腳本語言Python編寫，同時運用了pyMPI并行包，使之能夠指定各仿真程序以及CHIMPS之間的通信。Python函數形式的編碼方式使得在執行程序時更加自由。此外，CHIMPS還包括一組通用內插和通信庫。為了驗證軟件的可行性，進行了簡單算例的預處理求解和插值誤差的確認，隨后開展了兩個應用研究。第一個應用是采用可壓和不可壓雷諾平均N-S方程耦合求解機翼流場；第二個應用是對渦扇發動機核心機進行氣動仿真（見圖3），壓氣機和渦輪采用RANS，而燃燒室采用低馬赫數大渦模擬。

2006年，CTR對普惠公司的核心機進行非定常CFD模擬，評估部件性能。首先對壓氣機燃燒室耦合，然后進行20°扇區的渦輪、壓氣機、燃燒室獨立模擬，最后對發動機的20°扇區的核心機進了模擬。核心機計算采用了502核CPU， 計算了350時間步長、花費了48h，不同求解器的負載平衡是通過部件獨立計算時確定，其中壓氣機在250核CPU運行，燃燒室采用了96核，渦輪采用了156核。每個求解器采用了中等數量CPU，為了提高運行穩定性沒有用到并行I/O，而且求解器的I/O需要30%～40%時間。最終整個核心機流通仿真時間至少需要14天。圖4所示為核心機通流仿真，其中壓氣機為軸向動量分布，燃燒室為溫度分布，渦輪為軸向動量分布。

圖4 普惠公司核心機數值模擬[5]

圖5 整機數值模擬[6]

2007年CTR進一步對整機進行了數值仿真，包括風扇、低/高壓壓氣機、燃燒室、低/高壓渦輪以及噴管。整個風扇和壓氣機采用兩套網格，網格數量分別為800萬和5700萬。燃燒室采用300萬網格，渦輪也采用兩套網格，分別為300萬和1500萬。時間步長的選擇為最高轉速下、最大數目葉片排中一個葉片通過一個葉柵距離的時間至少為30個時間步長，即轉速慢的低壓部件整圈大約11500個時間步長，轉速高的高壓部件整圈大約需要3700個時間步長。另外考慮通流時間，核心機大概需要10000個時間步長，發動機整機大概需要20000個時間步長。利用美國能源部的Xeon Linux集群進行計算，采用粗網格時700個處理器（CPU）24h內計算1500個時間步長，而采用細網格需要4000個CPU，整機的通流仿真需要計算14天。據悉，每個單時間步長都保存時，保存數據時間就占了運行時間的50%。圖5所示為整機的軸向速度，以及中截面上軸向速度和燃燒室溫度等值面。

英國拉夫堡大學采用CHIMPS界面接口程序基于內存方法處理交界面[7]，其中葉輪機械采用羅羅公司的 Hydra軟件、燃燒室采用羅羅公司的PRECISE-UNS軟件。采用不同邊界條件方案進行泰勒渦（Taylor Vortex）、圓柱擾流、下游障礙流驗證，然后對壓氣機和燃燒室進行耦合計算，再對燃燒室和渦輪進行耦合計算。2016年，英國倫敦帝國理工學院的卡爾內瓦萊等[8]運用內部程序對主流和空氣系統聯合仿真。主流仿真時綜合采用了包括化學反應的可壓求解器VUTC及不可壓求解器AU3X；空氣系統根據發動機的模型進行了簡化，增加了界面的復雜性。采用混合平面方法處理級間，主流道與空氣系統二維/三維，空氣系統二維與空氣系統三維等界面模型，而三維腔室間的界面采用插值處理。

采用單一程序的整機仿真

2017年奧爾洛夫等[9]運用商業軟件Fluent對一核心機進行了仿真。為了減少計算資源，模型采取了兩個頭部，并對壓氣機和渦輪葉片數進行了約化，采用非結構網格劃分，包含多組分流體計算，部件間采用界面處理，壓氣機和渦輪的轉速一致。此外，流體傳熱分析軟件FloEFD也開發了整機仿真功能，并對KJ-66微型渦噴發動機進行了CFD分析，如圖6（a）所示。計算時，將整個渦噴發動機作為一個單元，其各部件之間不存在任何傳遞、對稱和周期性的情況。模型采用在局部旋轉區分析流體流動以模擬旋轉部分，即每個旋轉的實體部件周圍都有一個軸對稱的旋轉區，該旋轉區有自己的局部坐標系并與部件一起旋轉。計算域內非旋轉區的流體流動方程在非旋轉的笛卡爾全局坐標系下求解。通過在旋轉區的流體邊界處自動設置特殊的內邊界條件，將旋轉區內的解與非旋轉區內的解連接起來。流體域時間步長為0.0001s，固體域時間步長為0.01s。與此同時，Nuemca軟件在原有基礎上開發了一種先進的、高度集成的方法工具OpenLabs，能夠對完整的航空發動機和燃氣輪機系統進行穩態和時間精確的全耦合仿真。利用Numeca同樣對KJ-66微型渦噴發動機進行了CFD分析，葉輪機械采用高效非線性諧波（NLH）方法來捕獲非定常效應，燃燒室采用高效可靠的火焰生成流形（FGM），采用一種智能接口方法確保界面量一致，保證計算代價最小，如圖6（b）所示。

圖6 不同軟件對KJ-66渦噴發動機仿真所得溫度分布[10]

中國航發渦輪院利用CFX軟件對一型發動機的整機進行數值仿真，為了簡化計算工作量，仿真計算所有部件均采用單通道，總的網格數量為3500萬。在部件之間的交界面處采用級交界面處理，通道周期性面給定周期性邊界條件。仿真結果表明，發動機整機三維仿真所得各項性能參數與單部件設計參數誤差均在6%內（見圖7），且整機仿真所得推力值與設計值非常接近。這說明整機仿真中各個部件是相互耦合、匹配工作的，如果某個部件仿真結果與設計結果偏差大，在整機仿真中累計誤差增大，將造成所有部件偏離預計的匹配設計點工作。

總結整機仿真方面的研究進展可以發現，最早的整機仿真是基于總體程序的仿真，研究機構大都采用基于交界面處理的整機仿真，而軟件公司則熱衷于基于單一程序的整機仿真。基于總體程序的整機仿真以特性仿真程序為基礎，實現難度相對較低，但不能反映交界面的影響；基于單一程序的整機仿真對程序要求高，需要一個程序能夠對各個部件進行精確仿真，實現難度較大；而基于交界面處理的整機仿真可對不同的部件使用針對性的仿真軟件，同時也可以考慮部件間的相互影響，因此被國外研究機構廣泛采納。

中國航發研究院仿真中心氣動仿真研究團隊，針對全三維整機仿真技術開展了大量研究，利用自研的氣動和燃燒仿真軟件，開展壓氣機、渦輪、燃燒室三維計算。隨后，利用PreCICE構建氣動與燃燒三維流場數據實時通信，進行交界面處理，搭建核心機（壓氣機、燃燒室與渦輪）全三維數值仿真軟件，如圖8所示。在整機全三維仿真工具研發過程中，同時開展整機仿真軟件的工程適用性研究，其中壓氣機和渦輪采用RANS，燃燒室采用LES，通過與試驗數據（性能、曲線、流場等）進行對比，對數值仿真模型開展校核、驗證與修正，旨在提高各部件與整機的仿真精度，形成高置信度的全三維整機數值仿真軟件，推動實現發動機整機全三維高精度數值仿真。

圖7 基于CFX的整機仿真結果[11]

圖8 基于自研軟件的核心機（壓氣機、燃燒室、渦輪）三維仿真

結束語

在基于總體程序的整機仿真、基于部件融合的整機仿真和基于單一程序的整機仿真中，研究最為廣泛的是基于交界面處理的整機仿真技術，其特點是可支持不同部件使用不同的仿真軟件，通過交界面程序將相鄰部件對應的仿真軟件耦合，實現部件間的相互作用。因此，在充分利用現有的、成熟的仿真資源基礎上，獲得較為精確的仿真結果，是目前比較理想的整機仿真技術。當然，基于交界面處理的整機仿真目前仍須解決部分關鍵技術，如不同部件間的接口面上數據的模型處理，部件間物性管理問題，支持并行計算等問題，另外為適應總體仿真計算還需要考慮旋轉部件功率平衡等。