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1、航空发动机三维数值仿真及多学科仿真解决方案 西门子数字化工厂集团乔英杰/2016.12.13 Restricted Siemens AG 2016 Page 2 Siemens PLM Software 风扇及增压级 一体化的结冰/除冰方案 高压压气机 谐波平衡法 燃烧室 喷雾/燃烧/大涡模拟 高压及低压涡轮 共轭换热 短舱及附件系统 复杂几何网格/设计空间探索 内容 Restricted Siemens AG 2016 Page 3 Siemens PLM Software STAR-CCM+在航空发动机上的应用在航空发动机上的应用 风扇及增压级 弯掠叶片优化设计 叶片颤振预测及抑制 防冰除
2、冰系统设计 高压压气机 叶型设计及优化 多级串联计算 叶尖间隙控制 燃烧室 低排放燃烧组织 污染物预测 火焰筒冷却技术 高压及低压涡轮 叶型设计及优化 叶片冷却技术 主动间隙控制 短舱及附件系统 短舱热管理 反推力系统设计 Restricted Siemens AG 2016 Page 4 Siemens PLM Software 挑战： 高效率、轻质量、高强度、低噪声风扇叶片 整流罩/整流锥结冰，冰体脱落击伤叶片 解决方案： 高精度可压缩气动力学算法弯掠叶片叶型优化设计 气动声学模块低噪声优化设计 网格变形/FEA求解器叶片颤振预测及抑制 一体化结冰/除冰方案防冰除冰系统设计 收益： 建立叶
3、片参数化建模及优化设计流程，快速寻找最佳叶片设计方案 建立符合适航安全要求的防冰除冰设计流程，提升适航取证能力 风扇及增压级 Restricted Siemens AG 2016 Page 5 Siemens PLM Software Bombardier 起落架噪声 挑战 以最小的影响和开发费用，降低起落架噪声 收益 改善设计 详细的几何模型 了解噪声源和频谱 通过仿真进行设计 降低总体开发成本 快速的几何到网格 减少风洞时间和成本 解决方案 表面包面 Trim网格 使用DES计算气动噪声 Used with permission: AIAA 2012-2236 Restricted Sie
4、mens AG 2016 Page 6 Siemens PLM Software 积冰会严重影响飞机性能 机翼的空气动力学性能 进气口结冰影响发动机性能 仪器仪表读数不准确 飞机一定是在结冰条件下飞行 模拟的重要性 设计与评估除冰系统的性能 评估积冰对飞机性能的影响 应用背景 Restricted Siemens AG 2016 Page 7 Siemens PLM Software 普通的工业方法对于上面的每一步都使用一个单独的程序 速度慢，麻烦，昂贵，容易出错（映射等） 积冰研究面临的问题 内流/外流 共轭传热 收集效率 积冰热保护系统 液膜 (2D / Pseudo-2D / 3D)冰的
5、形状 气动性能的降低 积冰 Restricted Siemens AG 2016 Page 8 Siemens PLM Software One Tool One Model One Process STAR-CCM+: 简化流程 内流/外流 液滴的撞击和分布 液膜的形成 共轭传热 凝固/融化，液膜蒸发/冷凝 流场(3D Navier-Stokes) Dispersed Phase分散相 Fluid Film液膜/相变 更新冰的形状 Mesh Morph / Remesh网格变形/重构 热防冰系统 积冰和气动性能 Restricted Siemens AG 2016 Page 9 Siemen
6、s PLM Software Solver Setup求解器设置 3D Segregated Solver Steady K- SST turbulence Dispersed Multiphase Physics Conditions物理条件 0 AoA V 75 m/s Static temperature 7.0 C Static pressure 95.840 kPa Particle diameter 20.36 m Compressor face MFR 7.8 kg/s 737 737 客机发动机整流罩结冰分析 Restricted Siemens AG 2016 Page 10
7、 Siemens PLM Software DMP Collection EfficiencyDMP Collection Efficiency收集效率 737 Inlet: Contours737 Inlet: Contours效率云图 Restricted Siemens AG 2016 Page 11 Siemens PLM Software DMP Collection EfficiencyDMP Collection Efficiency收集效率 737 Inlet: Validation737 Inlet: Validation验证 Restricted Siemens AG 20
8、16 Page 12 Siemens PLM Software DMP Collection EfficiencyDMP Collection Efficiency收集效率 737 Inlet: Validation737 Inlet: Validation验证 Restricted Siemens AG 2016 Page 13 Siemens PLM Software DMP DMP 收集效率 737 Inlet: 737 Inlet: 验证 Restricted Siemens AG 2016 Page 14 Siemens PLM Software Single-Shot单次 在积冰过
9、程中冻结流场 Multi-Shot多次 在积冰过程中冻结流场，但周期性更新流场 Fully Transient完全瞬态 在积冰过程中流场在每个时间步更新 大概是Single-Shot单次方法2X计算时间 积冰分析方法 Restricted Siemens AG 2016 Page 15 Siemens PLM Software 验证: 2D CT翼型 几何 Restricted Siemens AG 2016 Page 16 Siemens PLM Software 验证: 2D CT翼型 积冰风洞 Restricted Siemens AG 2016 Page 17 Siemens PLM
10、Software 商业运输机的翼型 Mach 0.45 Airspeed 285 kts AoA 0.0 Tstatic-18.1 C 0.100 g/m3LWC 2 minutes 验证: 2D CT翼型 Run 142: 2 Minutes Restricted Siemens AG 2016 Page 18 Siemens PLM Software 商业运输机的翼型 Mach 0.45 Airspeed 282 kts AoA 0.0 Tstatic-15.4 C 0.285 g/m3LWC 6 minutes 验证: 2D CT翼型 Run 112: 6 Minutes Restric
11、ted Siemens AG 2016 Page 19 Siemens PLM Software 商业运输机的翼型 Mach 0.45 Airspeed 279 kts AoA 0.0 Tstatic-20.2 C 0.295 g/m3LWC 6 minutes 验证: 2D CT翼型 Run 106: 6 Minutes Restricted Siemens AG 2016 Page 20 Siemens PLM Software 商业运输机的翼型 Mach 0.45 Airspeed 279 kts Tstatic-20.2 C AoA 0.0 0.295 g/m3LWC 22.5 min
12、utes 验证: 2D CT翼型 Run 107: 22.5 Minutes Restricted Siemens AG 2016 Page 21 Siemens PLM Software 挑战： 高压压气机高达10级包含动、静叶片压缩级串联 保证单级增压比及效率 应具备足够的喘振裕度 解决方案： 高精度可压缩气动力学算法叶型设计及优化 谐波平衡算法大规模多级串联计算 多面体网格/参数化叶尖间隙控制优化 嵌套网格攻角/落后角计算 收益： 提高增压比、效率等特征参数的计算精度 建立高精度激波预测及控制方法，提高压气机喘振裕度 建立高精度叶型快速优化设计流程，缩短设计研制周期 高压压气机 Non-
13、reflectingReflecting Restricted Siemens AG 2016 Page 22 Siemens PLM Software 常规叶型计算/Turbo wizard Restricted Siemens AG 2016 Page 23 Siemens PLM Software 挑战： 稳态算法无法精确捕捉叶片上的热点 目标： 使用谐波平衡法处理周期性瞬态传热问题并精 确预测叶片上的热点 NASA/GE Energy Efficient Engine (E3) Restricted Siemens AG 2016 Page 24 Siemens PLM Softwar
14、e 非稳态求解 捕捉到所有的物理特征 全尺寸建模，上亿网格量 时间步长短 需要模拟若干流动周期 传统的稳态/非稳态求解方法 稳态求解 单叶片通道建模计算 计算量小 不能捕捉到关键物理特征 Restricted Siemens AG 2016 Page 25 Siemens PLM Software 精确捕捉物理特征 单叶片通道建模计算 计算量小 研究的问题具有周期性 谐波平衡法 8.8M多面体网格，6层自适应的边界层 Restricted Siemens AG 2016 Page 26 Siemens PLM Software 叶片中心横截面网格细节 Restricted Siemens AG
15、 2016 Page 27 Siemens PLM Software 叶片外流与内冷通道内的流动同时求解 Restricted Siemens AG 2016 Page 28 Siemens PLM Software Rotor Blade Surface Temperature 稳态计算结果谐波平衡法计算结果 Restricted Siemens AG 2016 Page 29 Siemens PLM Software Mid-span Total Temperature Restricted Siemens AG 2016 Page 30 Siemens PLM Software Rotor 1 Suction Surface Temperature Restricted Siemens AG 2016 Page 31 Siemens PLM Software 间隙控制、攻角落后角计算/ /嵌套网格 Restricted Siemens AG 2016 Page 32 Siemens PLM Software 挑战： 满足日益严苛的适航环保要求 保证燃烧稳定、效率、出口温度分布合理 燃烧组织形式及冷却方案要求极高 燃烧室 解
