航空發(fā)動機(jī)燃燒室參數(shù)化建模

石夢華，趙堅行，顏應(yīng)文，徐 榕

（南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，南京 210016）

0 引言

隨著航空發(fā)動機(jī)性能的不斷提高，對燃燒室的要求愈加苛刻，傳統(tǒng)設(shè)計方法很難滿足現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)燃燒室的設(shè)計要求，迫切需要引入現(xiàn)代設(shè)計方法，以實(shí)現(xiàn)更成功的設(shè)計并縮短設(shè)計周期，設(shè)計-分析一體化(CAD-CAE)方法應(yīng)運(yùn)而生。該方法的一般策略是：采用通用造型軟件（如UG、CATIA等）進(jìn)行實(shí)體建模，導(dǎo)出1個中間通用格式(STEP,IGES等)的文件，然后再用網(wǎng)格劃分軟件（如ICEM、GAMBIT等）讀取前面所建合適的實(shí)體模型文件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，或者直接在上述帶有造型功能的網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分工作，做完所有的前處理后再用CFD軟件進(jìn)行流場計算。

本文針對航空發(fā)動機(jī)燃燒室開發(fā)了專用的CFD前處理軟件。

1 CFD前處理的意義

在CAD-CAE設(shè)計方法中，實(shí)體建模和網(wǎng)格生成要占CFD分析中人工時間的80%[1]，而且專業(yè)性很強(qiáng)，即實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分成為CAD-CAE現(xiàn)代設(shè)計方法中的1個瓶頸。這個問題由Samareh[2]正式提出，劍橋大學(xué)CFD實(shí)驗(yàn)室的W.N.Dawes等針對這一問題，提出通過修改不良幾何形面以滿足網(wǎng)格自動生成所需條件，并且開發(fā)了一些半自動的工具[3]，但仍需較多依賴實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其研究主要針對通用的CAD模型，希望能夠找到1種CAD模型快速轉(zhuǎn)換到網(wǎng)格的通用方法，難度相當(dāng)大。出于工程應(yīng)用考慮，一些科研人員改變策略，針對某一特定模型開發(fā)出專用的CFD前處理工具。例如李中云等人開發(fā)了風(fēng)機(jī)的參數(shù)化建模-網(wǎng)格組合的專用模塊，將參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)與GAMBIT捆綁起來，用戶輸入模型結(jié)構(gòu)參數(shù)后，程序?qū)覩AMBIT程序，自動進(jìn)行實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定等，最終可以輸出網(wǎng)格文件，用于CFD計算[4]。呂煊等人則進(jìn)一步將CFD軟件也整合到設(shè)計系統(tǒng)中[5]，利用了商業(yè)軟件GAMBIT與FLUENT中jounal[6]功能結(jié)合Windows操作系統(tǒng)的批處理功能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，在整個設(shè)計過程中,將GAMBIT與FLUENT作為1個模塊，在不調(diào)用圖形界面的情況下，將GAMBIT的輸出參數(shù)作為FLUENT的輸入?yún)?shù)，并將在FLUENT中后處理的結(jié)果作為目標(biāo)函數(shù)。給定了輸入?yún)?shù)后，中間的幾何建模、網(wǎng)格生成與CFD計算直至輸出后處理結(jié)果均自動完成。

上述研究雖不屬于航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，但其高效的前處理方法值得借鑒。目前在CFD應(yīng)用領(lǐng)域還缺乏專用于航空發(fā)動機(jī)燃燒室的高效前處理工具。開發(fā)燃燒室專用的CFD前處理工具，提供從構(gòu)建模型到生成網(wǎng)格的有效途徑，快速完成燃燒室CFD的前處理工作，能夠有效提高燃燒室設(shè)計效率，縮短研制周期。

2 參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)

在傳統(tǒng)設(shè)計過程中，對于每個新產(chǎn)品都需要重新實(shí)體建模，然后對模型進(jìn)行數(shù)值模擬，不斷地修改，最后定型，設(shè)計周期較長。

參數(shù)化設(shè)計通過修改圖形中的某一部分或某幾部分的尺寸或修改已定義好的零件參數(shù)，自動完成對圖形中相關(guān)部分的改動，從而實(shí)現(xiàn)對圖形的驅(qū)動(即參數(shù)驅(qū)動),便于用戶修改和設(shè)計。用戶在設(shè)計輪廓時只需將零件的關(guān)鍵部分定義為某個參數(shù)，通過對參數(shù)的修改來實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的設(shè)計和優(yōu)化。

燃燒室內(nèi)部構(gòu)造具有大量相似的特征參數(shù)，具有繼承性和連續(xù)性。因此，在燃燒室設(shè)計過程中，使用參數(shù)化設(shè)計能充分利用已有資源,從而提高工作效率。

實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計具有多種策略，可利用現(xiàn)有的專業(yè)軟件對其進(jìn)行2次開發(fā)，也可直接利用通用語言編寫代碼建立模型并畫出網(wǎng)格。本文采用后1種策略，開發(fā)專用于航空發(fā)動機(jī)燃燒室的參數(shù)化建模程序，其建模和網(wǎng)格生成效率較高，且具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

針對現(xiàn)有CAD設(shè)計系統(tǒng)特點(diǎn)及CFD應(yīng)用中所存在的問題，設(shè)定系統(tǒng)功能如下。

（1）3維可視化。隨著計算機(jī)硬件技術(shù)的不斷提高和數(shù)字化3維設(shè)計技術(shù)的成熟，現(xiàn)有流行的CAD軟件全部實(shí)現(xiàn)了3維建模功能，因此本系統(tǒng)也立足于這一基本技術(shù)起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模型動態(tài)的3維顯示與操作。用戶通過直觀的3維模型，對所設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與功能的理解更為深刻，為實(shí)現(xiàn)成功的設(shè)計提供了基本保證。

（2）完善的建模能力。參考現(xiàn)有CAD軟件的建模模塊，把能夠建立任意復(fù)雜3維模型作為開發(fā)目標(biāo)，本設(shè)計系統(tǒng)具備所有基本3維圖的繪制能力，以及一些較復(fù)雜圖形生成能力，保證能完整地描述航空發(fā)動機(jī)典型零部件外形結(jié)構(gòu)。

（3）快速智能的建模過程。針對航空發(fā)動機(jī)燃燒室及相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)特征，將特定部件的外形結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行參數(shù)化鏈接，使生成的模型能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸驅(qū)動，通過修改其中的某一尺寸，即可立即更新模型形狀，而無需進(jìn)行繁瑣的修改甚至是重新建模，顯著提高特定部件的建模效率與質(zhì)量。

為滿足以上功能要求，系統(tǒng)采用Visual C++在Windows平臺上進(jìn)行開發(fā)，利用OpenGL作為開發(fā)工具來完成圖形的繪制和渲染、光線和環(huán)境的設(shè)置。

確定建模程序的工作機(jī)理：首先編寫描述燃燒室?guī)缀瓮庑蔚哪_本文件（含有參數(shù)信息）；然后由建模程序解釋該文件，并依次執(zhí)行其中的各條命令，調(diào)用幾何庫并最終在窗口中顯示3維模型。若需要更改幾何外形，只需修改腳本中的參數(shù)值，程序便能快速重新生成3維模型并加以顯示，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模。

本系統(tǒng)的腳本格式參照Gambit jounal腳本，建立1套合理的腳本語言，具備描述1個實(shí)體模型需要點(diǎn)、線、面、體等基本元素，此外加入控制模型幾何外形需要的參數(shù)信息，并與Gambit的腳本兼容，以便實(shí)現(xiàn)模型能順利導(dǎo)入Gambit進(jìn)而劃分網(wǎng)格。程序通過解釋腳本來執(zhí)行操作，所有設(shè)計信息都包含在腳本當(dāng)中，包括所有幾何描述和網(wǎng)格信息等。腳本中的參數(shù)由設(shè)計者給出，當(dāng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置完成后，運(yùn)行程序，程序逐一解釋腳本，執(zhí)行相關(guān)操作，最后生成設(shè)計者想要的幾何模型。設(shè)計者可以對在屏幕中顯示3維模型進(jìn)行各種交互操作，包括縮放,旋轉(zhuǎn)等。基于UG/Open GRIP語言，設(shè)計1個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，將本系統(tǒng)的腳本自動轉(zhuǎn)換成GRIP程序，經(jīng)編譯即可在UG中打開設(shè)計模型，實(shí)現(xiàn)2個系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享。

2.2 腳本及實(shí)體顯示

用以描述幾何外形的腳本必須遵守一定的語法規(guī)則，本系統(tǒng)參考Gambit的腳本文件的命令格式，主要選取其中關(guān)于幾何建模的相關(guān)命令，包括點(diǎn)、線、面、體的構(gòu)建和移動復(fù)制等，并進(jìn)行了相應(yīng)的擴(kuò)展。

程序在讀取腳本后，逐行翻譯腳本語言，每條語句解讀也是從第1個字符開始逐一向下解讀，讀取到不同的特殊字符，便會進(jìn)行相應(yīng)操作，腳本的解讀流程如圖2所示。

語句的首個字符包括參數(shù)（var）、點(diǎn)（vertex）、邊（edge）、面（face）、體（volume），只要在以后的語句中發(fā)現(xiàn)對應(yīng)參數(shù)，用參數(shù)值將其替換即可。而對于幾何特征，在讀取到第1個字符后分別轉(zhuǎn)入點(diǎn)、線、面等的相關(guān)操作，并判斷下一字符，包括構(gòu)建（create）、移動（move）、刪除（delete）等。構(gòu)建命令則進(jìn)一步包括多個子類，如體的構(gòu)建的種類（如圖3所示）。程序針對不同的構(gòu)建類型調(diào)用相關(guān)模型庫，進(jìn)而生成實(shí)體。

分析燃燒室的幾何外形，構(gòu)建各零部件主要用到了體的拉伸、旋轉(zhuǎn)以及體與體直接的布爾運(yùn)算等。

（1）首先為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，必然要在腳本中以參數(shù)代替具體的值，所以本腳本定義了參數(shù)的初始化格式，例如：

例如下面的生成點(diǎn)的腳本語句，將其坐標(biāo)值以參數(shù)代替，形式如下：

式中：0[“Rn”-“Wn”/2]0即為該點(diǎn)的參數(shù)化坐標(biāo)。

式中：volume為生成體的名稱；face為欲旋轉(zhuǎn)的面名稱；angle為旋轉(zhuǎn)角度；vector和origin共同組成拉伸向量；edge為拉伸所沿的直線。

例如：

旋轉(zhuǎn)生成的體如圖4所示。

（2）拉伸體命令：volume create[volume]translate face rector real1 real2 real3

式中：real1、real2、real3為拉伸向量。

潤光養(yǎng)生美容酒是中醫(yī)養(yǎng)生美容專家李潤光教授在祖?zhèn)黟B(yǎng)生美容寶典《回春部》的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)代中醫(yī)養(yǎng)生美容理論研制出來的一種可供內(nèi)服、外用的酒劑。它主要由烏梅、桂圓肉、枸杞、陳皮、黑棗、茯苓、佛手、羅漢果、山楂、花椒等中藥經(jīng)露酒浸泡制得。前期,本課題組已對其急性毒性以及抗炎鎮(zhèn)痛作用進(jìn)行了研究,結(jié)果表明該酒的臨床常用口服劑量是安全的以及該酒具有顯著的抗炎鎮(zhèn)痛作用[1]。本研究利用30天喂養(yǎng)試驗(yàn)評價該酒的亞急性毒性,為進(jìn)一步開發(fā)利用該酒提供基礎(chǔ)。

拉伸實(shí)例如圖5所示。

（3）體之間求差：volume subtract volume1 volumes volume2[volume3...]

式中：volume1 為原體；volume2[volume3...]為工具體。

例如：

volume create“VOL1”revolve“FACE1”angle 6 vector 100 origin 000

volume create“VOL2”height 8 radius14 radius34 yaxis frustum//生成圓柱體

volumemove“VOL2”angle20vector001origin000

volume move“VOL2”offset 1803300

volume subtract“VOL1”volumes“VOL2”

結(jié)果如圖6所示。

（4）體之間求和：volume unite volume1 volumes volume2[volume3...]

（5）考慮到火焰筒上的主燃孔和摻混孔的繪制是循環(huán)復(fù)制產(chǎn)生的，為了簡化腳本命令，添加了DO循環(huán)語句。

例如：

式中：N為開孔的數(shù)目，是可調(diào)的，在腳本之初可定義其數(shù)值大小。

3 燃燒室的參數(shù)化建模

本文的研究對象為環(huán)形燃燒室，包括突擴(kuò)擴(kuò)壓器、火焰筒和內(nèi)外環(huán)冷卻通道等。考慮到燃燒室流場周向的對稱性以及為了提高計算效率，環(huán)形燃燒室流場計算一般只選取1個頭部單元即可，本設(shè)計為20個頭部，即選取18°范圍內(nèi)的燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，另外應(yīng)選取合適的單元，避免火焰筒上內(nèi)、外環(huán)上的主燃孔和摻混孔被所選的單元截面分成不完整的孔。直接對完整的燃燒室進(jìn)行參數(shù)化建模是不可取的。因?yàn)槿紵規(guī)缀谓Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立其各結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系鏈難度相當(dāng)大，同時給后來的網(wǎng)格生成和程序編制帶來麻煩。因此，有必要對燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化處理，在此略去了旋流器等結(jié)構(gòu)，并且對一些曲線做了簡化，對簡化的燃燒室結(jié)構(gòu)（如圖7所示）進(jìn)行參數(shù)化建模。

選擇對燃燒室性能有重大影響的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸作為參數(shù)，對燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

主要參數(shù)如下：Do燃燒室外徑，mm；Di燃燒室內(nèi)徑，mm；Hc燃燒室高度，mm；Lc燃燒室軸向長度，mm；DLo火焰筒外環(huán)直徑，mm；DLi火焰筒內(nèi)環(huán)直徑，mm；HL火焰筒高度，mm；LL火焰筒軸向長度，mm；Hano外環(huán)高度，mm；Hani內(nèi)環(huán)高度，mm；Θ 火焰筒軸線夾角，°；na頭部及噴嘴數(shù)量；npho外環(huán)主燃孔數(shù)量；dpho外環(huán)主燃孔直徑，mm；nphi內(nèi)環(huán)主燃孔數(shù)量；dphi內(nèi)環(huán)主燃孔直徑，mm；ndho外環(huán)摻混孔數(shù)量；ddho外環(huán)摻混孔直徑，mm；ndhi內(nèi)環(huán)摻混孔數(shù)量；ddhi內(nèi)環(huán)摻混孔直徑，mm。

這樣，在描述燃燒室結(jié)構(gòu)的腳本中，各關(guān)鍵點(diǎn)的位置可以用各種參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行描述，例如

程序在解釋腳本過程中，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算，調(diào)用OpenGL幾何庫，即可生成參數(shù)化的燃燒室3維模型。

使用本軟件對燃燒室進(jìn)行設(shè)計時，無需從頭開始建模，描述燃燒室?guī)缀涡螤畹哪_本中的具體尺寸值已參數(shù)化，在建立腳本時即定義了參數(shù)表，使用時只需填入?yún)?shù)表中的具體參數(shù)值即可。設(shè)計完成后的優(yōu)化調(diào)整，也只需通過調(diào)整個別參數(shù)即可自動更新模型，而無需重新建模。

由本系統(tǒng)所生成的燃燒室實(shí)體模型如圖8所示。

4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口

為滿足使用者對于CAD數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換的要求，本文開發(fā)了1個簡單實(shí)用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具。即利用UG的2次開發(fā)語言模塊UG/Open GRIP，將本設(shè)計系統(tǒng)的腳本文件翻譯成GRIP源程序，經(jīng)GRIP編譯器的編譯及鏈接后，在UG環(huán)境下打開模型文件。

UG/Open GRIP是UG軟件包中的1個模塊，是UGS公司提供的1個用于UG2次開發(fā)的軟件工具，具有簡單、方便操作的特點(diǎn)。利用GRIP程序，可以完成與UG的各種交互操作。例如，調(diào)用一些實(shí)體生成語言，創(chuàng)建幾何體和制圖實(shí)體，可以控制UG系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)文件管理功能，可以存取UG數(shù)據(jù)庫，提取幾何體的數(shù)據(jù)和屬性，編輯修改已存在的幾何體參數(shù)等。此外，與一般的通用語言一樣，GRIP語言有完整的語法規(guī)則、程序結(jié)構(gòu)和內(nèi)部函數(shù)等。

在GRIP語言中，與本系統(tǒng)腳本文件不同的是，程序中欲生成的實(shí)體都需要在程序開頭對其變量名進(jìn)行申明，實(shí)體變量的說明語句為

式中：name 是實(shí)體變量名；dim1、dim2、dim3 等是實(shí)體變量的維數(shù)。

例如：

另外，在做實(shí)體拉伸和旋轉(zhuǎn)時，本系統(tǒng)的腳本語言要求拉伸的對象必須是已創(chuàng)建的面，而在GRIP中則只需選取1組封閉的線條即可，示例如下

轉(zhuǎn)換成GRIP語言后，語句就變成

在語句轉(zhuǎn)換時需要注意。

上文中本系統(tǒng)建立的燃燒室，經(jīng)轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換后，在UG中打開效果如圖9所示。

5 結(jié)束語

（1）開發(fā)高效快捷的CFD前處理工具，以解決制約CFD充分發(fā)揮潛力的實(shí)體建模和網(wǎng)格生成瓶頸問題。

（2）借鑒現(xiàn)有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對航空發(fā)動機(jī)開發(fā)人機(jī)交互的燃燒室參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，能夠快速生成不同參數(shù)的燃燒室模型，并優(yōu)化幾何外形以便于自動生成網(wǎng)格供流場計算程序使用，有助于提高燃燒室的設(shè)計效率，縮短其設(shè)計周期。

（3）本設(shè)計系統(tǒng)的模型構(gòu)建能力比較有限，因此對燃燒室外形做了較多簡化；為了提高對復(fù)雜模型的描述能力，應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)對復(fù)雜幾何特征的描述方法。

（4）本參數(shù)化設(shè)計思想對于解決工程實(shí)際問題具有現(xiàn)實(shí)意義。在進(jìn)一步開發(fā)后，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對更廣泛的航空發(fā)動機(jī)部件的快速參數(shù)化設(shè)計。

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