利用細(xì)分成角扇區(qū)的混合平面的機(jī)體-發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)模擬的制作方法
【專利說明】利用細(xì)分成角扇區(qū)的混合平面的機(jī)體-發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)模擬
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及航空領(lǐng)域。本發(fā)明更具體地涉及飛行器的結(jié)構(gòu)體的開發(fā)。
【背景技術(shù)】
[0002]在這樣開發(fā)期間,應(yīng)考慮飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)與飛行器的機(jī)體(即飛行器的機(jī)身,尤其包括機(jī)翼和尾部)之間的空氣動(dòng)力相互作用。
[0003]限制一方面的發(fā)動(dòng)機(jī)的入口和出口處的氣動(dòng)流與另一方面的飛行器的機(jī)體上的氣動(dòng)流(例如在機(jī)動(dòng)期間)之間的相互作用是一個(gè)問題。
[0004]然而,發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸不斷增加,因而越來越難以提供發(fā)動(dòng)機(jī)與飛行器的機(jī)體之間的氣動(dòng)隔離。因此,發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)體之間的空氣動(dòng)力相互作用不能再被忽視,并且有必要在飛行器的設(shè)計(jì)中考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)體之間的空氣動(dòng)力相互作用。
[0005]因此,求助于模擬來預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)-機(jī)體空氣動(dòng)力相互作用變得不可避免,并且可以糾正發(fā)動(dòng)機(jī)-機(jī)體空氣動(dòng)力相互作用。目前,利用結(jié)合的發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)體的足夠詳細(xì)表示的已知模擬方法都不適合關(guān)于開發(fā)時(shí)間的工業(yè)必要性。但可以接受耗費(fèi)幾小時(shí)的模擬,已知的模擬技術(shù)需要幾周,這難以接受。
[0006]因此,存在對(duì)機(jī)體-發(fā)動(dòng)機(jī)(或發(fā)動(dòng)機(jī)-機(jī)體)空氣動(dòng)力相互作用以較短的模擬時(shí)間進(jìn)行模擬的方法的需要。這是本發(fā)明的背景。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的第一方面涉及一種借助于計(jì)算機(jī)來模擬飛行器中的機(jī)體-發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力相互作用的方法,所述方法包括下述步驟:
[0008]-在所述飛行器的至少一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的模型的輸入部和/或輸出部處限定至少一個(gè)混合平面,
[0009]-限定所述混合平面的關(guān)于所述發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸線定中心的多個(gè)角扇區(qū),
[0010]-基于所述多個(gè)角扇區(qū)來執(zhí)行混合平面空氣動(dòng)力學(xué)模擬,
[0011]-獲得所述多個(gè)角扇區(qū)中的至少一個(gè)角扇區(qū)中的至少一個(gè)模擬結(jié)果,以及
[0012]-至少基于所述至少一個(gè)結(jié)果來判定所述飛行器的所述發(fā)動(dòng)機(jī)與所述機(jī)體之間的空氣動(dòng)力相互作用。
[0013]根據(jù)第一方面的方法實(shí)現(xiàn)了提供與工業(yè)飛行器開發(fā)時(shí)間相符的模擬時(shí)間并保持令人滿意的精確度的機(jī)體-發(fā)動(dòng)機(jī)(或發(fā)動(dòng)機(jī)-機(jī)體)相互作用的優(yōu)化模擬。
[0014]這種模擬所需的計(jì)算被減輕。此外,這種模擬所需的存儲(chǔ)器的數(shù)量被減小。
[0015]發(fā)動(dòng)機(jī)的所有元件均可以被考慮到。
[0016]角扇區(qū)的使用使得所有類型的氣流變化一一徑向變化或周向變化一一被考慮到,同時(shí)保持合理的計(jì)算復(fù)雜度。
[0017]根據(jù)第一方面的方法還使得發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)稱性能夠被考慮到,這使得模擬計(jì)算能夠被進(jìn)一步減少。
[0018]飛行器的機(jī)體被理解為包括機(jī)身,尤其包括機(jī)翼和尾部。
[0019]根據(jù)第一方面的方法的使用為開發(fā)飛行器的結(jié)構(gòu)體的工業(yè)過程的一部分。這使得開發(fā)時(shí)間能夠通過減小所需的模擬時(shí)間來節(jié)省。特別地,這提供了極大的靈活性,是因?yàn)槎鄠€(gè)模擬可以被連續(xù)運(yùn)行以及時(shí)適應(yīng)與該領(lǐng)域中所遵守的時(shí)間尺度相符的開發(fā)參數(shù)。
[0020]根據(jù)第一方面的方法通過計(jì)算機(jī)裝置來實(shí)施。
[0021]例如,所述扇區(qū)在所述混合平面的至少一部分中是規(guī)則的,并且模擬計(jì)算在所述至少一部分中的扇區(qū)中被執(zhí)行,所述計(jì)算結(jié)果基于所述扇區(qū)的周期性被擴(kuò)展至所述部分的其他扇區(qū)。
[0022]根據(jù)實(shí)施方式,所述角扇區(qū)限定成與所述發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片一致。
[0023]例如,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的所述葉片的位置執(zhí)行所述模擬,針對(duì)所述位置獲得的模擬計(jì)算結(jié)果被擴(kuò)展至所述葉片的其他位置。
[0024]根據(jù)實(shí)施方式,所述混合平面被細(xì)分成多個(gè)部分,并且針對(duì)所述部分中的每個(gè)部分的至少一個(gè)扇區(qū)執(zhí)行模擬計(jì)算,關(guān)于一部分中的每個(gè)扇區(qū)的計(jì)算結(jié)果基于所述扇區(qū)的周期性而擴(kuò)展至所述部分的其他扇區(qū)。
[0025]例如,所述扇區(qū)被限定成與所述模型的網(wǎng)格線一致。
[0026]根據(jù)實(shí)施方式,至少一個(gè)角扇區(qū)(例如每個(gè)角扇區(qū))的面積是所述發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片的面積的倍數(shù)。
[0027]例如,至少一個(gè)角扇區(qū)(例如每個(gè)角扇區(qū))的面積與所述發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片的面積相等。
[0028]所述發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片的面積被理解為所述葉片沿所述發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸線到混合平面上的投影的面積。
[0029]本發(fā)明的第二方面涉及一種計(jì)算機(jī)模擬裝置,該計(jì)算機(jī)模擬裝置配置成實(shí)施根據(jù)第一方面的方法。
[0030]例如,這種裝置包括處理單元,所述處理單元配置成實(shí)施根據(jù)第一方面所述的方法。
[0031]本發(fā)明的第三方面涉及計(jì)算機(jī)程序和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品以及用于這種程序和產(chǎn)品的存儲(chǔ)介質(zhì),從而使得能夠在所述程序通過根據(jù)實(shí)施方式的計(jì)算機(jī)模擬裝置的處理器加載并執(zhí)行時(shí)實(shí)施根據(jù)第一方面所述的方法。
[0032]本發(fā)明的第二方面和第三方面的主題提供了至少與通過第一方面在其不同實(shí)施方式中的主題提供的優(yōu)點(diǎn)相同的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0033]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將通過閱讀下面的本詳細(xì)說明、通過非限制性示例并且從附圖中變得明顯,在附圖中:
[0034]-圖1示出了混合平面的使用;
[0035]-圖2A為發(fā)動(dòng)機(jī)連同表示由機(jī)體引起的氣動(dòng)擾動(dòng)的物體以及位于發(fā)動(dòng)機(jī)入口處的分區(qū)的混合平面的網(wǎng)格的立體圖;
[0036]-圖2B示出了圖2A中的混合平面的細(xì)節(jié);[0037 ]-圖2C為圖2B中的發(fā)動(dòng)機(jī)連同表示由機(jī)體弓I起的氣動(dòng)擾動(dòng)的物體以及在發(fā)動(dòng)機(jī)的出口處的混合平面的網(wǎng)格的立體圖;
[0038]-圖3A至圖3B為執(zhí)行飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟的流程圖;以及
[0039]-圖4為表示根據(jù)實(shí)施方式的計(jì)算機(jī)模擬裝置的簡(jiǎn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下文中描述了飛行器機(jī)體與飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)之間的相互作用的模擬。該模擬使用被稱為混合平面界面模型的數(shù)值方法(或模型)。在下文中,飛行器的機(jī)體被理解為包括機(jī)身,尤其包括機(jī)翼和尾部。
[0041]如由Sanders等在文件“TurbulenceModel Comparisons for Mixing PlaneSimulat1ns of a Multistage Low Pressure Turbine Operating at Low ReynoldsNumbers”(可在網(wǎng)址http: //www.enu.kz/repository/2009/AIAA-2009-4928.pdf獲得)中解釋的,在渦輪機(jī)的背景下,這種方法使得穿過具有相對(duì)于彼此運(yùn)動(dòng)的區(qū)域的領(lǐng)域的氣流的模擬成為可能。
[0042]圖1示出了這種方法應(yīng)用于飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)入口處和出口處的氣動(dòng)流在半徑恒定的線路112上進(jìn)行平均。
[0043]同一線路的網(wǎng)格單元113上的每個(gè)流量值與其他流量值被平均114。所有網(wǎng)格單元然后接收到相同的計(jì)算平均值。
[0044]因此,該流在半徑恒定的有關(guān)線路上是恒定的。在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)期間,所有發(fā)動(dòng)機(jī)元件被認(rèn)為不管其在旋轉(zhuǎn)期間的角位置如何都接收相同的氣流。因此,單一的模擬受發(fā)動(dòng)機(jī)的單一位置的影響。通過對(duì)稱性的考慮,甚至可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的僅一個(gè)葉片。
[0045]為了考慮到流的所有變型(包括圓周變化),并不僅是徑向變化(因此沿半徑),下文中描述該方法的有利修改。
[0046]圖2A包括飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)(具有入口E和出口 S)的模型200的立體圖。為了簡(jiǎn)化圖,僅示出了發(fā)動(dòng)機(jī)的模型。如將對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言明顯的是,機(jī)體出于模擬的需求還必須建模。圖2A包括替代機(jī)體的模型的物體201的立體圖。物體201設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)的前方并且干擾方向F上的氣動(dòng)流。物體201因此在發(fā)動(dòng)機(jī)的前面(在發(fā)動(dòng)機(jī)的入口 E處)產(chǎn)生沿方向F的氣動(dòng)擾動(dòng)。物體201因此能夠模擬由飛行器的機(jī)體(例如在機(jī)動(dòng)期間)引起的在發(fā)動(dòng)機(jī)的入口處的氣動(dòng)流的擾動(dòng)。換句話說,物體201使得發(fā)動(dòng)機(jī)與其在空氣動(dòng)力學(xué)方面相互作用的飛行器的機(jī)體能夠被示出,特別地機(jī)體的在發(fā)動(dòng)機(jī)固定的水平處的區(qū)域。
[0047]此處,物體201具有帶有從物體的筒狀本體徑向延伸的兩個(gè)翼片的整體圓筒形狀。然而,也可以選用其他形狀。
[0048]發(fā)動(dòng)機(jī)以及表示飛行器的與發(fā)動(dòng)機(jī)在空氣動(dòng)力學(xué)方面相互作用的機(jī)體的物體根據(jù)網(wǎng)格原理而建網(wǎng),網(wǎng)格的精細(xì)度取決于需要獲得的結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0049]物體201與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的混合平面202限定在發(fā)動(dòng)機(jī)的入口處,盡可能靠近葉片。
[0050]混合平面分區(qū)成表示混合平面的角部的多個(gè)扇區(qū)。扇區(qū)可以是規(guī)則的或不規(guī)則的。然而,優(yōu)選的是選擇規(guī)則的扇區(qū)以有益于模擬的對(duì)稱性或周期性的特性。
[0051]扇區(qū)的數(shù)目可以根據(jù)模擬所需的精度而確定。扇區(qū)的數(shù)目越大,模擬的精度越高。然而,分區(qū)數(shù)目越多,模擬的計(jì)算成本越高。
[0052]通過選擇與發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片數(shù)目相等的扇區(qū)數(shù)目可獲得折衷。
[0053]為了減輕模擬計(jì)算,有利地可以使分區(qū)的線與網(wǎng)格的線一致。
[0054]根據(jù)實(shí)施方式,至少一個(gè)角扇區(qū)(例如每個(gè)角扇區(qū))的面積是發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片沿發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸線到混合平面上的投影的面積的倍數(shù)。
[0055]例如,至少一個(gè)角扇區(qū)(例如每個(gè)角扇區(qū))的面積與該發(fā)動(dòng)機(jī)葉片面積相等。
[0056]發(fā)動(dòng)機(jī)的入口處的界面因此通常細(xì)分成分別與發(fā)動(dòng)機(jī)的部件的模擬域相關(guān)聯(lián)的扇區(qū)。
[0057]利用本發(fā)明的實(shí)施方式,可以使用完整表示的包括葉片的發(fā)動(dòng)機(jī)來執(zhí)行機(jī)體-發(fā)動(dòng)機(jī)相互作用的詳細(xì)的空氣動(dòng)力學(xué)模擬。
[0058]多個(gè)分區(qū)的使用使得沿著垂直線路和徑向線路的氣流的失真被考慮到。
[0059]混合平面的使用使得能夠考慮及時(shí)不變的氣流(氣流對(duì)于所有模擬時(shí)間是相同的)。單一時(shí)間因此可以被計(jì)算出,這大幅減輕了計(jì)算。
[0060]計(jì)算還可以通過使用混合平面的分區(qū)的周期性來減少。
[0061]角扇區(qū)的使用使得能夠更真實(shí)地模擬機(jī)體-發(fā)動(dòng)機(jī)相互作用,這