提供一种动态总压畸变对压气机稳定性影响的快速预测方法，具体包括下列步骤；压气机非定常流场全三维体积力仿真方法；动态总压畸变影响下，压气机叶片角动量计算；动态总压畸变影响下，压气机叶片熵增计算；基于体积力模型的动态总压畸变影响压气机稳定性仿真。本发明专利技术将动态总压畸变对压气机的影响模化为叶片体积力模型的非定常变化，通过发展基于非定常体积力模型的压气机流场全三维非定常仿真计算，可快速评定动态总压畸变对压气机稳定性的影响，在航空发动机稳定性评定过程中具有广泛的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航空发动机进气总压畸变评定方法，具体涉及一种动态总压畸变对压气机稳定性影响的快速预测方法。
技术介绍
1、飞机进气道内部一旦产生流动分离，就会使得航空发动机进气总压不均匀，这种进气总压不均匀的现象即为进气总压畸变。进气总压畸变一旦产生，会影响压气机的稳定性，有可能诱发航空发动机喘振，严重危害飞行安全。因此，评定总压畸变对压气机稳定性的影响，是航空发动机性能评定的重要组成部分。
2、进气总压畸变可分为稳态总压畸变和动态总压畸变。稳态总压畸变是指发动机进口总压不随时间变化，其对压气机稳定性影响的分析方法已较为成熟。动态总压畸变则是指发动机进口总压随时间在不断变化，要评定其对压气机稳定性的影响需对不同时刻下压气机的气动特性进行分析，技术难度较大、成本也较高。实验测试过程中，是通过构造随时间变化的总压分布，来评定动态总压畸变对压气机稳定性的影响，而在发动机设计之初，并不能开展压气机气动特性的实验测试，因此需要通过数值仿真的手段快速预测动态总压畸变对压气机稳定性的影响。
3、常规的数值仿真手段是对流体动力学方程进行求解，获得压气机叶片通道流场，在研究动态总压畸变问题时，由于压气机进口总压分布是随时间变化的，需要开展非定常数值仿真以获得不同时刻压气机内部流场，由此消耗大量的计算资源，经济成本和时间成本较高，无法满足压气机气动设计过程中方案快速迭代的要求。因此，发展动态总压畸变对压气机稳定性影响的快速预测方法，对于研制高性能航空发动机具有重要意义。
技术实现思路
1、针对航空发动机动态总压畸变的评定，本专利技术提出一种动态总压畸变对压气机稳定性影响的快速预测方法，具体包括下列步骤；
2、步骤一、压气机非定常流场全三维体积力仿真方法；
3、具体包括下列步骤：
4、step1：建立压气机流道内三维非定常体积力仿真方法；
5、通过计算叶片不同时刻的角动量和熵增，建立叶片体积力模型，对于给定的压气机流道，在流场求解过程中，使用随时间变化的体积力模型代替叶片对气流的作用；对于一排压气机叶片，针对每个叶片分别建立随时间变化的体积力模型，
6、角动量：γ*(t)＝r(ωr-cmtanβ(t))
7、熵增：
8、周向体积力：
9、粘性体积力：
10、式中，γ*(t)为角动量，r为叶型半径，ω为转子转速，cm为气体轴向速度，β(t)为叶型气流角；s*(t)为熵增，rg为空气的气体常数，u0为气体速度，pt0为总压，ψ(t)为叶型损失系数；fθ(t)为周向体积力，ρ为空气密度，c为气体绝对速度，p为当地总压，θ为周向角，t为当地总温，wθ为气体周向速度，w为气体的相对速度；fvis，θ(t)为粘性体积力；
11、step2：压气机流道内三维非定常体积力仿真计算；
12、针对每个叶片，计算不同时刻流道内气体通过叶片通道时的角动量和熵增，再计算每个叶片不同时刻作用在气体上的体积力，将不同、不同时刻叶片的体积力按相应叶片的位置施加于动量方程之中，采用计算流体力学方法，对流体动力学方程进行求解，包括对流体动力学方程包含的连续方程、动量方程和能量方程都进行求解，获得压气机内流场的非定常特性和失速团的传播规律；
13、步骤二、动态总压畸变影响下，压气机叶片角动量计算；
14、具体包括下列步骤：
15、step1：不同叶高位置处压气机叶型生成；
16、令z轴为压气机的旋转轴，以z轴为中心生成回转面s2，根据压气机叶片实际几何，回转面s2与z轴的距离可能是变化的，即叶片进口半径r1和叶片出口半径r2的数值可能不同；由于压气机叶片的弯扭掠造型，叶片进口和出口的叶片高度可能并不相同，所以进口和出口同一相对叶高对应的绝对位置r1和r2可能并不相同；回转面s2与压气机叶片相交形成的截面曲线即为压气机叶型，通过改变r1和r2的数值，能够获得不同叶高位置的压气机叶型；
17、step2：叶型进出口气流角计算；
18、对于每一个压气机叶型，进口气流角α和出口气流角β定义为进出口气流速度v1和v2与叶型轴向的夹角；气流经过每一个叶型的角动量根据进出口气流角的差值(β-α)和对应压气机级的转子角速度计算获得，转子角速度ω＝n/60*pi/180(rad/s),n为转子转速(rpm)；沿叶高方向对不同叶高处叶型对气流作用的角动量进行积分，获得叶片对气流的角动量；当存在动态总压畸变时，对于受动态总压畸变影响的压气机叶型，不同相对叶高的叶型进气速度v1会随时间变化，对应的进口气流角α也会随时间变化，当叶型角速度ω＝n/60*pi/180(rad/s)不变时，叶型角动量γ＝r(ωr-cmtanβ)也会随时间变化，其中r为叶型半径；ω为角速度，cm为轴向速度，β为气流角；此时，利用数值仿真和实验测试方法，确定动态总压畸变作用下叶型进口速度v1(t)；利用v1(t)，采用数值计算和实验测试方法计算获得叶型的出口速度v2(t)，v1(t)和v2(t)与叶型轴向的夹角即为时变进口气流角α(t)和时变出口气流角β(t)；
19、step3：动态总压畸变作用下叶型进出口角动量计算；
20、对于给定压气机，其可能承受的动态总压畸变特征记为n；对于任意一种动态总压畸变特征，会唯一确定叶型进气速度v1(t)，进而得到α(t)和β(t)，根据时变进口气流角α(t)和时变出口气流角β(t)计算获得动态总压畸变影响下的叶型进口角动量γ1(t)＝r(ωr-cm*tanβ(t))；和受动态总压畸变影响下的叶型出口角动量γ2(t)＝r(ωr-cm*tanα(t))作差，获得动态总压畸变影响下角动量变化值；采用数值计算的方法，将角动量变化值与n个动态总压畸变特征进行数据拟合，对于不同叶高处的压气机叶型重复上述步骤，得到不同压气机叶型角动量变化值随动态总压畸变特征变化的关系式；
21、step4：动态总压畸变作用下叶片作用于气流的角动量计算；
22、给定压气机进口的动态总压畸变特征，根据动态总压畸变特征，利用动态总压畸变影响下的时变角动量特性，获得对应位置处的叶型角动量相对于设计工况下叶型角动量的变化值，而对于未受动态总压畸变影响的工况，不同压气机叶型的角动量在设计阶段已获得，将设计工况下角动量与对应位置处的叶型角动量进行线性叠加，获得不同叶高处压气机叶型角动量；将动态总压畸变影响下，沿叶高方向对不同叶高处叶型对气流作用的角动量沿叶高方向积分，获得动态总压畸变作用下叶片对气流的角动量；
23、步骤三、动态总压畸变影响下，压气机叶片熵增计算；
24、具体包括下列步骤：
25、step1：叶型熵增计算方法；
26、对于cda压气机叶型，利用叶片出口总压损失ω和气流总温计算得到其熵增；当存在动态总压畸变时，叶型进口速度由v1改变为时变的v1(t)，会导致叶型总压损失ω随时间变化，即变为ω(t)，进而本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种动态总压畸变对压气机稳定性影响的快速预测方法，其特征在于，具体包括下列步骤；
2.如权利要求1所述的动态总压畸变对压气机稳定性影响的快速预测方法，其特征在于，在步骤二Step3中，N＝3，动态总压畸变特征包括尺度、频率和脉动幅值。
3.如权利要求1所述的动态总压畸变对压气机稳定性影响的快速预测方法，其特征在于，在步骤三STEP1中：在仿真中，通过布置监测点获得气流总温随时间的变化特性，即气流总温；在实验中，通过布置动态总温探针获得气流总温随时间的变化特性，即气流总温。
【技术特征摘要】
1.一种动态总压畸变对压气机稳定性影响的快速预测方法，其特征在于，具体包括下列步骤；
2.如权利要求1所述的动态总压畸变对压气机稳定性影响的快速预测方法，其特征在于，在步骤二step3中，n＝3，动态总压畸变特征包括尺度、频率和脉动幅值。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：张海灯，吴云，孙恩博，李应红，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：
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