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[2013A题优秀论文] 基于部件法的变循环发动机建模法

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madio        

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    1#
    发表于 2014-8-30 17:39 |只看该作者 |倒序浏览
    |招呼Ta 关注Ta |邮箱已经成功绑定
    摘 要:
    ' T4 o, O6 L" A9 Q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; G3 S, M6 h1 k' A# R
    的7 个平衡方程,对发动机的性能进行模拟。
    0 p! e' Y, B& _3 u& B. x' G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
    % X6 \. H& F! S$ D7 Z0 J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2 j+ r5 C& W) d
    解出风扇的出口总温、总压、流量分别为379.4985、1.3087、19.0483,CDFS 的' Q5 ]9 b( q, b) [2 w! A+ Y
    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
    ; A+ W7 Q5 E, T  p: n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1 y6 O3 f2 c& _2 }( H' E; Q4 Q% Q
    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
    " F# ~* u$ J8 N$ M- q% {" _气体导致温度升高、压强增大、流量减小的功能特点。
    " U: X5 H* {9 l2 Z2 A& 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
    , D4 x: U1 K/ I1 J* ]& 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) o; w# Z# {/ d9 R- q$ S, Z$ x
    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) i" J7 b# V- O; C
    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" A- h$ y4 [& \- F5 D
    0.01,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 ?) C. B% w+ H5 I+ X
    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1 k. G( s6 l) T) F: R' p9 w
    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
    7 f. n5 X! E* `! ]3 u* n" S8 {( h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
    9 d1 b1 m4 c' X8 S9 m5 \4 a# z/ t0.2550。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
    7 j  G0 M# X4 w$ y9 G+ s型的收敛解。( [2 e5 p2 h! a' H
    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
    2 ?3 Z. s7 {3 Q# P3 g/ X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
    5 w2 w4 k6 F( `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% ^5 ^/ ^- o8 b! O, q% Z5 ?) y
    1 2
    6 z* |; n  c' k$ kA  Fˆs  sfˆc。( 1 
    7 F9 ~7 M; u! {6 |、2  为比例系数),以其最小值作为目标函数,同时借鉴
    " j' }  @4 F9 A6 a: Q% M" d& E2
    9 L7 l: A- O* P3 g+ l& X' ?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1 Q/ z: U/ e3 Z! K
    CDFS 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
    . b6 P& a$ k, m9 u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' U2 i8 i# K3 ]" _
    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
    " A% z5 _/ m+ m3 l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+ r) o. u3 _! @. j. o8 {
    ,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。
    + s- _- O/ i: |% V& ~' 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" \4 W" v  ]9 k5 E! l
    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
    + L& q& A. @" o4 p) R- r& E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+ \: c& H& }/ {' h+ f( ~( i
    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8 d5 b7 R& Y" t$ z4 ?8 w
    、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/ S3 O. f) I4 ?- r$ g" |; y- R3 }. N
    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( B" C: a5 V# u' V& n
    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
    2 h/ u& D% T* X7 P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
    % y) |; ?: G7 L( K+ |* a. m7 u3 ]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6 s: D2 r; W7 U) L* K8 H
    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  Y  L, |: f1 D* t8 R( r
    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,
    3 X, O; I. M' C- A9 NCDFS 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
    : {+ ~8 B# \, W( f; K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& Z8 m8 T+ H( Y' S! z# C
    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。
    6 O; u- Q. B; K% m, W6 U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8 n$ x! n0 @5 R/ w+ }  j

    9 E3 ~$ }) L4 {& B

    A题武汉大学10486012队.pdf

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