数值仿真技术在航空动力研制中的地位和作用

刘大响; 金捷; 刘邓欢

doi:10.13224/j.cnki.jasp.20220103

数值仿真技术在航空动力研制中的地位和作用

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220103

北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 100191

详细信息

作者简介:
刘大响（1937-），男，教授、博士生导师、中国工程院院士，主要从事航空发动机设计和研究工作

通讯作者:
刘邓欢（1988-），男，博士，主要从事航空发动机燃烧室数值仿真工作。E-mail：dean8174@126.com

中图分类号: V231.3
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出版历程
- 收稿日期: 2022-03-03
- 网络出版日期: 2022-09-09

Position and function of numerical simulation technology in aero-engine development

School of Energy and Power Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China

摘要

摘要:
针对先进航空发动机的技术发展需求，提出了航空发动机数值仿真技术的定义和内涵。从专业、学科、空间、时间、工具等方面给出了航空发动机数值仿真技术的五个维度，从促进航空发动机研制模式转变等方面分析了其战略地位和作用。通过国外典型研究计划和实例分析了国内外发展现状，指出了我国在该技术领域的主要差距。提出要充分认识数值仿真技术在航空发动机研制中的重要地位和作用，尽快建设和发展属于我国自己的航空发动机数值仿真系统，建设面向全行业的“航空发动机数据库”。
- 航空发动机 /
- 数值仿真技术维度 /
- 技术发展需求 /
- 发动机仿真系统 /
- 航空发动机数值仿真研究中心
Abstract:
The definition and implication of numerical simulation technology were proposed based on the technical development requirements of advanced aero-engines development.The dimensions of aero-engine numerical simulation technology were studied from specialty,discipline,space,time and tools,while the strategic position and function in promoting the transformation of aero-engine development method were analyzed.The disparity of numerical technology for aero-engine at home and abroad was discussed by analyzing the development status of typical foreign research plans and projects.It is proposed to fully understand the important position and function of numerical simulation technology in the aero-engine development,and to build and develop our own aero-engine numerical system and industry-wide “aero-engine database” as soon as possible.
- aero-engine /
- dimensions of numerical simulation technology /
- technical development requirement /
- aero-engine numerical system /
- aero-engine simulation research center

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图 1 航空发动机正向研制流程示意图

Figure 1. Technology development roadmap of aero-engine

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图 2 传统设计和预测设计示意图

Figure 2. Schematic diagram of traditional design and predictive design

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图 3 基于NPSS平台的GE90-94B发动机整机仿真^[14]

Figure 3. Simulation of GE90-94B engine based on NPSS^[14]

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表 1 采用先进设计仿真工具技术可减少的试验小时数

Table 1. Reduced experimental hours with advanced simulation technology

测试项目	试验时间/h
测试项目	传统方式	先进仿真设计
气动/机械	775	400
功能/环境	675	500
主动控制/耐久性	775	400
地面操控性	750	450
空中操控性	2595	1325
热端部件/寿命	3000	2000
总试验小时数	11020	7550

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表 2 采用先进设计仿真工具技术可减少的研制经费

Table 2. Reduced development costs with advanced simulation technology

研发过程		（研制经费/百万美元）/%
研发过程		传统方式	先进仿真设计
概要设计		46（3）	37（7）
详细设计		198（13）	160（22）
工装/制造/ 装配	部件	30（2）	22（3）
	核心机/发动机样机	481（32）	164（22）
	飞行试验用发动机	300（21）	156（21）
试验	部件	16（1）	16（2）
试验	核心机/发动机	202（14）	126（17）
项目管理/其他		213（14）	52（8）
总研制经费		1496	733
注：括号内为该阶段经费占总经费的比例。

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表 3 仿真需要的精度和目前达到的水平

Table 3. Accuracy required for simulation and the currently level

参数		目前的精度/%	需要的精度/%
整机性能		±2.0	±0.5
操控性		±20.0	±2.0
气动热力学		±3.0	±1.0
三维结构		±5.0	±2.0
高周疲劳/断裂力学		±20.0	±10.0
集成控制规律的性能		±2.0	±0.5
寿命	低周疲劳	±25.0	±5.0
	高周疲劳	±100.0	±20.0
	抗氧化	±10.0	±5.0
	应力断裂	±10.0	±5.0
材料属性		±10.0	±5.0

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表 4 目前CANSS系统达到的水平

Table 4. Current level of CANSS system

参数	目前的精度/%	需要的精度/%	CANSS实现的精度/%
整机性能	±2.0	±0.5	2.80
气动热力学性能	±3.0	±1.0	6.00
集成控制规律的性能	±2.0	±0.5	3.08

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