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摘 要:
# L3 p/ D1 Z' n3 K) f) c本文采用部件级建模法精确模拟发动机的各个部件,依据各部件匹配工作时
+ F0 B* E- T' D1 f9 D) ]) D9 w- ^的7 个平衡方程,对发动机的性能进行模拟。
! {; b! d# h8 U: X/ s+ I& ^& |针对问题一,为了求解风扇和CDFS 的出口总温、总压和流量,建立模型对+ S: k! E, }/ l/ r3 g) s b3 o: S
这两个部件的特性进行精确模拟,利用给定的发动机飞行高度和飞行马赫数,求& t8 [9 o) y( q" B' V: P
解出风扇的出口总温、总压、流量分别为379.4985、1.3087、19.0483,CDFS 的; \- _7 z2 s5 s- W
出口总温、总压、流量分别为420.5365、1.8012、17.164。分析得出,气流在进
/ R+ ]. _, {. _: H& j8 G) W入风扇和CDFS 两个压气机部件至流出过程中,总温、总压增大,而气体从风扇
7 a2 l: d. @2 j7 h流入到CDFS 的过程中,总温、总压亦增大,流量减小。此结论符合压气机压缩) h k- B. l3 Y2 ~; ~) K9 Y
气体导致温度升高、压强增大、流量减小的功能特点。9 d1 N# @) |( j T& y
针对问题二,根据发动机整机模型,由七个参数值可计算出平衡残差量。以$ I1 B$ k8 P. z* h& u) B
平衡残差量最小为原则,对离散化的待估参数进行变域、变步长的搜索,根据当$ ~% G9 N5 A" [$ H& t/ Q
前的最优解与次优解确定下一步的搜索域与搜索步长,逐步缩小搜索范围、减小5 Y6 r; z$ P1 ^* p
搜索步长,搜索的终止条件设为:(1)高压转速、压比函数值的搜索步长减小至
$ x0 I& O. Q) z. A( f6 \; `/ q5 j1 F0.01,主燃烧室出口温度的搜索步长减小至10;(2)最优解与次优解相同。搜' [6 F V R7 O i8 r3 K: t
索的终止条件保证了解的精度与收敛性。依此算法搜索得到高压转速、压比函数9 |' H# }! \1 \
值(风扇、CDFS、高压压气机、高压涡轮、低压涡轮)、主燃烧室出口温度的最
2 B3 i2 O: r4 E, T ~6 q优解分别为1.00,0.33,0.43,0.53,0.14,0.12,1520,此时平衡方程残差量为
0 N- {2 L3 j1 E% z8 x! N4 g: Y0.2550。逐步搜索过程中参数的解与平衡方程的残差趋于固定值,参数的解为模
, l3 u3 G, e; _0 _2 m* C7 ^型的收敛解。6 h$ a2 y. j0 b
针对问题三(1),为了保证发动机性能最优,求解CDFS 导叶角度、低压涡
( j+ R* `! |6 Q# `& e( Z; e轮导叶角度和喷管喉道面积3 个变量,实质上是一个优化的问题。本文建立优化2 u! o+ ^! f6 m# h
模型, 采用单位推力和耗油率的线性组合构建一个新的性能评价指标* ]* ?. l! D. Y$ ]6 f& i u
1 2" y6 e5 P% p5 P
A Fˆs sfˆc。( 1 8 \5 f( n' ?) K8 x' C: I
、2 为比例系数),以其最小值作为目标函数,同时借鉴
1 L' G( I, S# ^" v2$ M& B& k2 s$ q' r: R& j: t4 C9 V
问题二中求解非线性方程组的方法,利用参数遍历法对模型进行解算。最终得到
; J- O7 T4 N9 Q, s2 r8 bCDFS 导叶角度、低压涡轮导叶角度和喷管喉道面积3 个量分别为3,15,6952.496
% N" B/ [/ s' M2 I* \% @; b时,发动机的性能最优,此时单位推力和耗油率分别为1293.092,0.000239 。同1 Z2 r. {$ D/ ~+ L3 _
时,通过对遍历过程中部分参数对应的发动机的性能大小,分析得出规律:低压
( B* u& c6 i* t0 g2 K5 @0 V0 a9 u转速对发动机的性能无太大影响,提高主燃烧室的出口温度可以有效降低耗油率
9 ^# H& J" J0 \; L,增大风扇的压比函数值则能有效地增强单位推动力、降低耗油率。. `4 t2 \$ E5 L6 }& F9 I
针对问题三(2),探索CDFS 导叶角、低压涡轮导叶角和尾喷管喉部面积在
) |' T% O2 U. `# }% o4 x发动机性能最优条件下随飞行马赫数的变化规律,基于工作点的变步长的搜索方
* s. I- f* |2 G1 q0 s- a! b* o法,以发动机性能局部最优作为约束条件,以马赫数、CDFS 导叶角、低压涡轮9 T# Q$ I1 y- t6 H; [% c4 q1 g
导叶角为输入值,以尾喷管喉部面积、局部最优时对应的马赫数、CDFS 导叶角- w; c# d5 R: x, r, v5 ?) J
、低压涡轮导叶角为输出值,建立了变步长最优化模型。得出的结果显示,在某
1 z% l2 ~" m7 c3 c) T- e" M# u个具体工作点时发动机性能最优的条件下,当马赫数增加时,CDFS 导叶角、低, _1 z" L: O7 p( I8 }; A) H6 J
压涡轮导叶角为恒定值,相关系数为0;而尾喷管喉部面积随马赫数的增大呈现
% J9 H2 J- l, f5 g" l' j$ x阶梯性递减的情况,当马赫数增加到某个具体的值时,面积保持恒定。这与整机
+ z! a/ {/ ^- Y+ R$ R( b模型中尾喷管喉部面积的规律描述相符。在本文给出的工作点1 下,压比函数值' A ^. q5 U' l# \* u$ {
处在中位,CDFS 导叶角的值恒为35,低压涡轮导叶角恒为15,尾喷管喉部面积. d0 x: }$ q! j5 l
从4109.696 递减到4087.818 后保持恒定;工作点2 下,压比函数值处在高位,5 P" d$ {3 Y$ S) N! G
CDFS 导叶角的值恒为29,低压涡轮导叶角恒为15,尾喷管喉部面积从3336.678/ [3 I5 j1 W8 q5 h' F
递减到3283.023 后保持恒定;工作点3 下,压比函数值处在低位,CDFS 导叶角4 O2 j! P7 T6 y+ [1 A; V
的值恒为29,低压涡轮导叶角恒为14,尾喷管喉部面积不变,为3369.63。& k _ J/ y- U% Q1 ]! v8 B
关键词:变循环发动机;部件法建模;平衡方程;变域变步长搜索
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