进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法、设备及介质与流程

1.本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法、设备及介质。


背景技术：

2.压气机作为航空发动机的核心部件之一，对发动机的性能和稳定性起着决定性作用。若压气机发生流动失稳现象，轻则使航空发动机性能下降，重则直接引发飞行事故，带来严重后果。随着对发动机高推重比和高效率的不断追求，压气机部分的设计负荷不断提高，流动复杂性不断增强，流动稳定性问题也日益凸显。此外，由于航空发动机在实际运行过程中并非始终在均匀进气条件下工作，还面临起飞、侧风以及机动飞行等各种工作情况，此时压气机进口所面临的复杂畸变条件会进一步导致压气机稳定边界右移，降低稳定工作裕度。因此在压气机设计、评估等工程实际环节，需要针对此类进气畸变条件，开展压气机稳定边界的预测工作。
3.目前国内外针对压气机流动稳定边界的预测方法主要有两大类，一类是半解析的稳定性理论模型方法，包括以emmons模型和stenning模型为代表的线化小扰动理论模型，以及以moore-greitzer模型为代表的系统稳定性模型等；另一类是数值模拟方法，即通过求解雷诺平均navier-stokes方程获得压气机流场特性，并根据改变边界条件后计算是否收敛判断压气机是否稳定。
4.然而，稳定性理论模型方法在建立模型时对压气机几何和流场进行了大量简化，其预测的准确性在现阶段精细化设计的需求下难以保证。而对于数值模拟方法，通过定常计算的收敛性判断流场稳定性的做法缺乏理论依据，且常常会对稳定边界做出乐观估计，此外对于本专利所针对的进发匹配情况下压气机稳定边界的预测问题，则需要开展进气道/压气机一体化的全周非定常数值模拟才可以解决，而这项工作对计算资源和时间的消耗在工程应用中是难以承受的。


技术实现要素：

5.为此，本发明提供了一种进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法、系统、设备及介质，以力图解决或者至少缓解上面存在的至少一个问题。
6.根据本发明实施例的一个方面，提供了一种进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法，包括：
7.s1：在压气机均匀进气情况下，采用定常雷诺平均方法计算获得压气机流场参数；
8.s2：根据所述压气机流场参数及叶片参数，构建分布式力源体积力模型，输出分布式力源体积力；
9.s3：叶片域采用所述分布式力源体积力模型计算，非叶片域采用雷诺平均方法进行非定常计算，进口边界条件给定目标情况所要求的畸变条件，从而获得压气机负荷的空间分布；
10.s4：根据所述压气机负荷的空间分布实施判断，若压气机整体或任意局部区域的负荷均未达到当地临界负荷，则返回s3；若压气机整体或存在局部区域的负荷达到当地临界负荷，则压气机失稳，输出最后一个稳定点。
11.进一步地，所述压气机流场参数及叶片参数包括叶片的当地半径、叶片周向角度坐标、叶片表面压力、气流当地速度沿子午面的投影速度、叶片的当地切线速度、气流的当地切线速度、当地静温度、当地气流密度、当地相对坐标系下的气流速度、沿流向的熵梯度、当地流向速度对应的马赫数。
12.进一步地，所述非叶片域包括压气机进口至第一排叶片域前缘、相邻叶片域之间、最后排叶片域尾缘至压气机出口的全部区域。
13.进一步地，所述当地临界负荷为压气机局部发生失稳时的当地负荷。
14.进一步地，还包括s5：获得最后一个稳定点和第一个失稳点，当这两点间的节流步长足够小时，以最后一个稳定点作为该进气畸变进气道情况下的压气机预测稳定边界；否则、返回s3。
15.进一步地，所述分布式力源体积力包括叶片对流体的切向体积力，沿等流向坐标面体积力和沿等叶高面体积力。
16.进一步地，所述叶片域与非叶片域的交界面为叶片前尾缘在子午面的投影沿周向旋转一周后形成的曲面叶片前尾缘的zr坐标平面。
17.进一步地，进口边界条件给定总温、总压分布以及速度方向，出口边界条件给定平均静压条件，并通过减小出口静压实现对压气机节流过程的模拟，实壁边界包括机匣和轮毂均为无滑移边界条件。
18.进一步地，采用叶片进出口的总压比、d因子或压升系数作为叶片负荷的表征量。
19.根据本发明的又一方面，提供一种计算设备，包括：
20.一个或多个处理器；
21.存储器；以及
22.一个或多个程序，其中所述一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行上述进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法包括的操作。
23.根据本发明实施例提供的技术方案，包括叶片域采用所述分布式力源体积力模型计算，非叶片域采用雷诺平均方法进行计算，进口边界条件给定目标情况所要求的畸变条件，从而获得压气机负荷的空间分布。本发明基于对压气机负荷空间分布及临界负荷的认识对流动稳定性进行分析和预测，认为当压气机存在区域其负荷达到当地临界负荷时会触发失稳，并且具有较高的预测精度；此外由于采用基于分布式力源体积力模型的计算方法，能够实现进气畸变情况下压气机负荷空间分布的快速获取，因此能够大幅提高稳定边界预测工作的效率。
附图说明
24.附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
25.图1是示例性的计算设备的结构框图；
26.图2是根据本发明的进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法的流程图；
27.图3是图2中方法的详细流程图；
28.图4是图2中方法的计算域网格分布图；
29.图5是进口总压径向分布；
30.图6是采用图2中方法不同流量点的径向压比分布；
31.图7是预测结果与试验结果的对比图。
具体实施方式
32.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
33.图1是布置为实现根据本发明的进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法的示例计算设备100的框图。在基本的配置102中，计算设备100典型地包括系统存储器106和一个或者多个处理器104。存储器总线108可以用于在处理器104和系统存储器106之间的通信。
34.取决于期望的配置，处理器104可以是任何类型的处理，包括但不限于：微处理器(μp)、微控制器(μc)、数字信息处理器(dsp)或者它们的任何组合。处理器104可以包括诸如一级高速缓存110和二级高速缓存112之类的一个或者多个级别的高速缓存、处理器核心114和寄存器116。示例的处理器核心114可以包括运算逻辑单元(alu)、浮点数单元(fpu)、数字信号处理核心(dsp核心)或者它们的任何组合。示例的存储器控制器118可以与处理器104一起使用，或者在一些实现中，存储器控制器118可以是处理器104的一个内部部分。
35.取决于期望的配置，系统存储器106可以是任意类型的存储器，包括但不限于：易失性存储器(诸如ram)、非易失性存储器(诸如rom、闪存等)或者它们的任何组合。系统存储器106可以包括操作系统120、一个或者多个程序122以及程序数据124。在一些实施方式中，程序122可以被配置为在操作系统上由一个或者多个处理器104利用程序数据124执行指令。
36.计算设备100还可以包括有助于从各种接口设备(例如，输出设备142、外设接口144和通信设备146)到基本配置102经由总线/接口控制器130的通信的接口总线140。示例的输出设备142包括图形处理单元148和音频处理单元150。它们可以被配置为有助于经由一个或者多个a/v端口152与诸如显示终端或者扬声器之类的各种外部设备进行通信。示例外设接口144可以包括串行接口控制器154和并行接口控制器156，它们可以被配置为有助于经由一个或者多个i/o端口158和诸如输入设备(例如，键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备)或者其他外设(例如打印机、扫描仪等)之类的外部设备进行通信。示例的通信设备146可以包括网络控制器160，其可以被布置为便于经由一个或者多个通信端口164与一个或者多个其他计算设备162通过网络通信链路的通信。
37.网络通信链路可以是通信介质的一个示例。通信介质通常可以体现为在诸如载波或者其他传输机制之类的调制数据信号中的计算机可读指令、数据结构、程序模块，并且可以包括任何信息递送介质。“调制数据信号”可以是这样的信号，它的数据集中的一个或者多个或者它的改变可以在信号中编码信息的方式进行。作为非限制性的示例，通信介质可
以包括诸如有线网络或者专线网络之类的有线介质，以及诸如声音、射频(rf)、微波、红外(ir)或者其它无线介质在内的各种无线介质。这里使用的术语计算机可读介质可以包括存储介质和通信介质二者。
38.计算设备100可以实现为小尺寸便携(或者移动)电子设备的一部分，这些电子设备可以是诸如蜂窝电话、个人数字助理(pda)、个人媒体播放器设备、无线网络浏览设备、个人头戴设备、应用专用设备、或者可以包括上面任何功能的混合设备。计算设备100还可以实现为包括桌面计算机和笔记本计算机配置的个人计算机。
39.其中，计算设备100的一个或多个程序122包括用于执行根据本发明的进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法的指令。
40.图2示例性示出根据本发明一个实施例的进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法的流程图，进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法始于步骤s1。图3是图2方法的详细流程图。
41.s1：在压气机均匀进气情况下，采用定常雷诺平均方法计算获得压气机流场参数。
42.具体地，所述压气机转子参数包括叶片的当地半径、叶片周向角度坐标、叶片表面压力、气流当地速度沿子午面的投影速度、叶片的当地切线速度、气流的当地切线速度、当地静温度、当地气流密度、当地相对坐标系下的气流速度、沿流向的熵梯度、当地流向速度对应的马赫数。
43.s2：根据所述压气机流场参数及叶片参数，构建分布式力源体积力模型，输出分布式力源体积力。包括叶片对流体的切向体积力沿等流向坐标面体积力和沿等叶高面体积力并包括以下步骤：
44.获取所述切向体积力
45.公式为：
46.其中，f
θ，inv
为叶片对气流的当地切向体积力；r为叶片的当地半径；θ为周向角度坐标；p为压力。
47.通过机械能守恒方程计算获得所述沿等叶高面体积力f
s，inv
；
48.公式为：f
s，inv
·vs
f
η，inv
·vη
f
θ，inv
·vθ
＝f
θ，inv
·u49.通过损失方程计算获得叶片对气流的粘性力
50.公式为：
51.其中，是叶片对气流的粘性力，其方向与当地相对坐标系下的气流速度方向相反；vs是气流当地速度沿子午面的投影；t是当地静温度，ρ是当地密度；是当地相对坐标系下的气流速度；是从第一流场中提取获得的沿网格流向的熵梯度。
52.对多个所述第一流场提取所述切向体积力f
θ，inv
和所述熵梯度并与当地气动参数进行关联，构建体积力矩阵。
53.s3：开展进气畸变情况下基于分布式力源体积力模型的压气机全周数值模拟。计算域分为叶片域和非叶片域，两者间的交界面由叶片前尾缘的zr坐标确定。非叶片域包括从进口到转子叶片域之前，叶片域与叶片域之间以及最后一个叶片域之后到出口的所有部分，即除叶片域以外的所有区域。计算域网格为六面体结构化网格，由子午面网格绕转轴扫掠后生成，如图4所示，图中a处颜色较深区域为叶片域，其余区域为非叶片域，叶片域和非叶片域的网格在交界面处完全匹配，因此不存在交界面数据传递误差的问题。计算过程中，叶片域采用分布式力源体积力模型，非叶片域采用雷诺平均方法进行非定常计算。进口边界条件给定总温、总压分布(基于试验测量结果给定)以及速度方向(轴向进气)，出口边界条件给定平均静压条件，并通过减小出口静压实现对压气机节流过程的模拟，此外实壁边界包括机匣和轮毂均为无滑移边界条件。
54.s4：通过上述计算结果获得进气畸变情况下的压气机负荷的分布情况，本实例中选择总压比作为叶片负荷的表征参量，并且由于此例给定进气畸变条件为径向畸变，在周向上分布均匀，因此仅需获取压比的径向分布即可。在此需要说明两点：1.总压比仅是本实例中所选用的一种叶片负荷表征参量，除此之外，d因子、压升系数等也可作为负荷表征量进行使用，应针对不同研究对象选择合适的参量，其d因子为扩散因子，表征气体流经叶栅的相对扩压程度的大小；2.对于存在周向畸变的情况，不能仅获取负荷的径向分布，而是需要获取负荷沿径向以及周向的空间分布情况以开展下一步工作。根据所述压气机负荷的空间分布实施判断，若压气机整体或任意局部区域的负荷均未达到当地临界负荷，则返回s3；若压气机整体或存在局部区域的负荷达到当地临界负荷，则压气机失稳，输出最后一个稳定点。所述当地临界负荷为压气机局部发生失稳时的当地负荷。
55.s5：获得最后一个稳定点和第一个失稳点，当这两点间的节流步长足够小时，以最后一个稳定点作为该进气畸变情况下的压气机预测稳定边界；否则则返回s3，计算时调整出口平均静压在最后一个稳定点和第一个失稳点之间。
56.本发明还提供了一种进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法的系统及一种可读存储介质，其上具有可执行指令，当可执行指令被执行时，使得计算机执行进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法所包括的操作。
57.本发明还提供了一种计算设备，包括一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法所包括的操作。
58.工程人员同样能够将以上的方法制作为可执行指令存储于可读存储介质中，当可执行指令被执行时，使得计算机执行上述进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法所包括的操作。或工程人员将一个或多个程序，其中所述一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行上述进气畸变情况的压气机稳定边界预测方法所包括的操作。存储器和处理器包含于计算设备。
59.具体实施例说明：以一台跨声速单级压气机为研究对象，针对使用进口环形畸变
屏构造的进气畸变情况，对其88％设计转速进行稳定边界预测。
60.针对该压气机转子开展均匀进气情况下的单通道定常雷诺平均数值模拟，提取分布式体积力源项并构建矩阵，包括切向体积力沿等流向坐标面体积力和沿等叶高面体积力执行以上s1-s3步骤。进口边界条件给定总温、总压分布(如图5所示)以及速度方向(轴向进气)，出口边界条件给定平均静压条件。
61.根据上述负荷空间分布，判断压气机是否整体或存在局部区域的压比达到当地临界压比。对于本台压气机而言，前期实验研究已经表明，该压气机在88％设计转速不同负荷分布的情况下会分别发生由叶尖和叶根起始的两种失稳过程，当叶尖发生失稳时的临界压比为1.49，叶根发生失稳时的临界压比为1.42。在此给出计算获得的多个流量点下的压比径向分布情况如图6所示。从图中可以看出在流量为9.43kg/s时，叶尖和叶根压比均未达到当地的临界值，此时压气机为稳定状态；进一步节流至流量为8.90kg/s的时候，叶尖压比超过1.49，判断压气机已经失稳，且失稳起始位置为叶尖区域；在上述流量范围内通过调整背压获得叶尖压比最接近临界值时的工作点，此时流量为9.04kg/s，将此作为压气机在该进气畸变条件下的预测稳定边界，所述畸变条件包括包括非均匀的进口总压、速度分布。
62.上述步骤已完成了对该进气畸变情况下压气机稳定边界的预测，为了验证这一结果的准确性，给出试验获得的压气机特性线如图7所示，并用星号对预测边界进行标注，可以看到预测边界(9.04kg/s)与试验结果(8.92kg/s)接近，误差在2％以内，且为保守估计，说明此预测方法结果合理，预测准确度能够达到要求。同时在已获取了压气机体积力源项的情况下，上述流程所需时间在5小时以内，相较于非定常rans数值模拟方法，预测效率提高10倍以上。
63.应当理解，这里描述的各种技术可结合硬件或软件，或者它们的组合一起实现。从而，本发明的方法和设备，或者本发明的方法和设备的某些方面或部分可采取嵌入有形媒介，例如软盘、cd-rom、硬盘驱动器或者其它任意机器可读的存储介质中的程序代码(即指令)的形式，其中当程序被载入诸如计算机之类的机器，并被该机器执行时，该机器变成实践本发明的设备。
64.在程序代码在可编程计算机上执行的情况下，计算设备一般包括处理器、处理器可读的存储介质(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)，至少一个输入装置，和至少一个输出装置。其中，存储器被配置用于存储程序代码；处理器被配置用于根据该存储器中存储的该程序代码中的指令，执行本发明的各种方法。
65.以示例而非限制的方式，计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息。通信介质一般以诸如载波或其它传输机制等已调制数据信号来体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，并且包括任何信息传递介质。以上的任一种的组合也包括在计算机可读介质的范围之内。
66.应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求
书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
67.本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
68.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
69.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
70.此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该公开的目的的元素所执行的功能。
71.如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
72.尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。