可持续航空燃料涡扇发动机供油与燃烧系统优化方法

技术特征：
1.一种可持续航空燃料涡扇发动机供油与燃烧系统优化方法，其特征在于，基于数字孪生结构系统，所述数字孪生结构系统包括虚拟模型系统、物理实体、服务系统、孪生数据和交互连接；其中，所述物理实体包括实际中的实体数据以及实际中的实体的加工制造和装配过程数据；所述虚拟模型系统用于对所述物理实体进行虚拟仿真，所述虚拟模型系统和所述物理实体之间采用多种数字孪生技术，所述虚拟模型系统包括几何模型、物理模型、行为模型和规则模型四个层次的模型，所述几何模型用于描述所述实际中的实体中各零部件的形状、尺寸、加工制造和装配信息；所述物理模型用于所述实际中的实体的物理属性的模拟；所述行为模型用于接收所述实际中的实体实际实验反馈回来的数据，响应外界驱动和扰动作用，处理并调整所述虚拟模型系统；所述规则模型用于对所述实际中的实体的性能规律或规则进行建模仿真；所述服务系统用于收集所述虚拟模型系统和所述物理实体的信息，并对信息进行融合分析；所述孪生数据包括所述物理实体、所述虚拟模型系统和所述服务系统产生的数据，所述孪生数据在所述服务系统处理后又反馈到所述虚拟模型系统、所述物理实体、所述服务系统，推动所述数字孪生结构系统的运转，所述孪生数据随着实时数据的产生会不断地进行更新与改善；所述交互连接包括多个不同的数据传输模块，用于将所述物理实体、所述虚拟模型系统、所述服务系统和所述孪生数据相互连接，以使所述物理实体、所述虚拟模型系统、所述服务系统和所述孪生数据的数据得以在各部分间交换传递；所述可持续航空燃料涡扇发动机供油与燃烧系统优化方法包括如下步骤：s1:建立虚拟模型系统：对实体涡扇发动机以及实体涡扇发动机的动力、供油与燃烧性能进行试验测量，获取多维数据，形成涡扇发动机的物理实体，然后对获取的多维数据进行分析并储存至所述服务系统，其中，所述实体涡扇发动机以可持续航空燃料或包含有可持续航空燃料的航空燃油作为燃料，所述实体涡扇发动机包括供油与燃烧系统；建立涡扇发动机仿真模型和可持续航空燃料燃烧仿真模型形成所述虚拟模型系统，所述服务系统将所述获取的多维数据输入所述虚拟模型系统中的仿真矫正模块；s2：虚拟性能优化：运行所述虚拟模型系统，对所述虚拟模型系统的仿真行为、性能结果和所述获取的多维数据中的行为数据、性能数据进行融合分析，在所述虚拟模型系统中执行供油与燃烧系统结构参数的迭代计算改善，获得最优结构参数；根据最优结构参数，在物理模型中对供油与燃烧系统中的供油管路、雾化结构的结构参数进行改进，形成改善后的物理模型，利用所述改善后的物理模型对供油流动与雾化特性、转子系统动力学特性进行验证，确定最终的所述虚拟模型系统中供油与燃烧系统的结构参数；s3：虚拟制造仿真：根据最终的所述虚拟模型系统中供油与燃烧系统的结构参数确定改善后的虚拟模型系统中供油与燃烧系统的零部件的形状、尺寸、装配关系和加工制造数据，获得改善后的几何模型，并在所述改善后的虚拟模型系统中添加材料与工艺属性；s4：真实制造过程：根据所述改善后的虚拟模型系统提供的信息对供油与燃烧系统中的零部件进行实际加工制造和装配，获得改善后的实体涡扇发动机，在此过程中，供油与燃
烧系统中的零部件的实际形状、尺寸、装配关系、加工制造数据、材料和工艺数据反馈至所述服务系统，以优化所述改善后的虚拟模型系统；s5：真实发动机试验：测试所述改善后的实体涡扇发动机的动力、供油与燃烧系统性能，将采集到的行为数据、性能数据和环境数据反馈至所述服务系统，与优化后的虚拟模型系统生成的仿真数据进行融合分析，完善所述优化后的虚拟模型系统。2.根据权利要求1所述的可持续航空燃料涡扇发动机供油与燃烧系统优化方法，其特征在于，所述虚拟模型系统和所述物理实体之间采用的多种数字孪生技术包括结构孪生、材料孪生、工艺孪生、行为孪生、性能孪生和环境孪生；其中，结构孪生为所述物理实体与所述虚拟模型系统的结构、外形和装配关系数据的孪生；材料孪生为所述物理实体与所述虚拟模型系统中各零部件使用的材料的物理属性和动力学属性数据的孪生；工艺孪生为所述物理实体与所述虚拟模型系统的加工制造和装配的工艺数据的孪生；行为孪生为所述物理实体与所述虚拟模型系统对自身状态或外界环境做出的各种响应数据的孪生；性能孪生为所述物理实体与所述虚拟模型系统各项性能参数数据的孪生；环境孪生为所述物理实体与所述虚拟模型系统中内部环境和外部环境数据的孪生；对应地，所述步骤s1中对实体涡扇发动机以及实体涡扇发动机的动力、供油与燃烧性能进行试验测量，获取的多维数据包括结构数据、材料数据、工艺数据、行为数据、性能数据和环境数据。3.根据权利要求1所述的可持续航空燃料涡扇发动机供油与燃烧系统优化方法，其特征在于，所述几何模型在catia软件中建立，所述物理模型在fluent软件和abaqus软件中建立，所述行为模型和所述规则模型的一维整机模型在gt-power软件中建立，所述行为模型和所述规则模型的三维燃烧模型在converge软件中建立。4.根据权利要求1所述的可持续航空燃料涡扇发动机供油与燃烧系统优化方法，其特征在于，所述服务系统在labview数据采集与分析软件和access数据库中建立。5.根据权利要求1所述的可持续航空燃料涡扇发动机供油与燃烧系统优化方法，其特征在于，所述步骤s2中对所述虚拟模型系统的仿真行为、性能结果和所述获取的多维数据中的行为数据、性能数据进行融合分析，具体为，对所述虚拟模型系统的仿真结果中和所述获取的多维数据中的供油压力和流量数据、密封泄漏量数据、雾化性能数据、燃烧放热规律数据进行融合分析。6.根据权利要求1所述的可持续航空燃料涡扇发动机供油与燃烧系统优化方法，其特征在于，所述步骤s3中的在所述改善后的虚拟模型系统中添加材料与工艺属性，具体包括，在所述几何模型、所述物理模型以及所述行为模型和所述规则模型的一维整机模型中添加材料属性。7.根据权利要求2所述的可持续航空燃料涡扇发动机供油与燃烧系统优化方法，其特征在于，所述工艺孪生为所述物理实体与所述虚拟模型系统的加工制造和装配的工艺数据的孪生，其中，所述加工制造和装配的工艺数据包括加工方式、加工公差、工艺基准和工艺成本模型。8.根据权利要求1-7中任意一项所述的可持续航空燃料涡扇发动机供油与燃烧系统优化方法，其特征在于，所述步骤s2中的在所述虚拟模型系统中执行供油与燃烧系统结构参
数的迭代计算改善，获得最优结构参数，具体包括如下步骤：s201：选取供油密封结构长度、供油管路总容积、燃油雾化结构长度、燃烧扩散区稀释孔的直径作为优化因子；s202：应用拉丁超立方抽样法定义每个优化因子的水平范围和试验次数，以反应供油性能的密封度指标和反应雾化与燃烧品质的雾化系数、燃烧效率指标为响应，在所述虚拟模型系统中进行试验计算并获得试验结果，根据试验结果拟合响应面，然后对响应面拟合质量进行评价，若响应面的拟合精度较差，则增加所述试验次数，重复进行步骤s202，若响应面的拟合精度较好，则进行步骤s203；s203：设定优化目标，应用遗传算法进行优化计算，得到供油与燃烧系统结构参数的优化结果，取整优化结果，然后对结构参数优化后的所述虚拟模型系统进行仿真，判断仿真结果是否满足性能要求，若是则结束迭代计算改善过程，获得最优结构参数，若否则循环进行步骤s202和s203。9.根据权利要求8所述的可持续航空燃料涡扇发动机供油与燃烧系统优化方法，其特征在于，所述步骤s202中的所述根据试验结果拟合响应面，具体为，根据试验结果采用普通最小二乘法拟合响应面，且拟合阶数为2阶。10.根据权利要求9所述的可持续航空燃料涡扇发动机供油与燃烧系统优化方法，其特征在于，所述步骤s203中的应用遗传算法进行优化计算具体包括如下步骤：设定密封度最大、雾化系数最大、燃烧效率最大为改善目标，且每个改善目标的权重均相等，设定最大改善迭代次数为80-120次，判断收敛的条件是连续15～25个迭代都没有发生变化，每次的取样个体为30～50，突变率为8％-12％，通过单点交叉进行杂交，最优淘汰制进行选择，统一变异方式进行突变，最终可得到所述供油密封结构长度、所述供油管路总容积、所述燃油雾化结构长度、所述燃烧扩散区稀释孔的直径的优化值。

技术总结
本发明公开了一种可持续航空燃料涡扇发动机供油与燃烧系统优化方法。所述优化方法基于数字孪生结构系统，虚拟模型系统和物理实体之间采用多种数字孪生技术，包括如下步骤：建立涡扇发动机的物理实体和涡扇发动机的虚拟模型系统，运行虚拟模型系统，在虚拟模型系统中执行供油与燃烧系统结构参数的迭代计算改善，获得最优结构参数；根据最优结构参数，利用物理模型进行验证，确定最终供油与燃烧系统的结构参数；确定虚拟模型系统中供油与燃烧系统的数据；对供油与燃烧系统进行实际加工制造和装配，利用供油与燃烧系统的实际数据优化改善后的虚拟模型系统；完善优化后的虚拟模型系统。本发明降低了优化时间和成本，优化改善效率高，准确性好。准确性好。准确性好。


技术研发人员：徐征 陈龙飞 刘磊 于振鸿 李光泽 钟生辉 朱美印 潘康
受保护的技术使用者：北京航空航天大学杭州创新研究院
技术研发日：2022.11.11
技术公布日：2023/2/3