航空發(fā)動機(jī)主燃燒室試驗數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

林宏軍，馬宏宇，程明

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所,沈陽 110015）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)主燃燒室中的燃燒過程非常復(fù)雜，包括氣體流動和摻混、燃料噴射和混合（液體燃料還有霧化和蒸發(fā)過程）、化學(xué)反應(yīng)、燃?xì)獾妮椛浜蛯α?、傳熱和傳質(zhì)等各種現(xiàn)象[1-2]。由于主燃燒室內(nèi)燃燒過程的復(fù)雜性，難以完全掌握燃燒各過程的機(jī)理，因此,以往燃燒室的設(shè)計主要依靠大量的試驗和經(jīng)驗積累[3]。隨著燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究不斷完善和發(fā)展，對燃燒現(xiàn)象的理解進(jìn)一步深入，研究手段、計算機(jī)技術(shù)的提高以及計算燃燒學(xué)的發(fā)展，使主燃燒室設(shè)計達(dá)到了經(jīng)驗分析、試驗驗證和計算分析相結(jié)合的水平。但是經(jīng)驗分析、計算分析的準(zhǔn)確度仍需通過大量的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，主燃燒室的設(shè)計方案亦需通過試驗進(jìn)行驗證，燃燒試驗對于燃燒室的機(jī)理研究和型號研制仍具有重要作用。

隨著航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，主燃燒室研制過程中試驗分類細(xì)化，試驗數(shù)據(jù)量隨之增加，如何集中、有效地保存和管理燃燒試驗數(shù)據(jù)，提高試驗數(shù)據(jù)對燃燒室設(shè)計的指導(dǎo)作用，成為主燃燒室設(shè)計和試驗的重要研究方向。本文主要針對主燃燒室試驗的特點，結(jié)合數(shù)據(jù)采集和管理的實際需要，對構(gòu)建航空發(fā)動機(jī)主燃燒室試驗數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵技術(shù)和開發(fā)中應(yīng)考慮的問題進(jìn)行了闡述。

1 主燃燒室試驗項目

在主燃燒室設(shè)計過程中，試驗涵蓋主燃燒室流場結(jié)構(gòu)、零部件性能、燃燒室綜合性能、燃燒室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等多方面內(nèi)容[4]。由常溫、常壓到降壓模擬（高溫高壓）狀態(tài)，最終達(dá)到全溫、全壓的試驗狀態(tài)。按照設(shè)計研發(fā)的過程，通常將主燃燒室研制劃分為5個階段：方案設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、性能考核/排故、定型生產(chǎn)和燃燒室發(fā)展階段。在主燃燒室研制過程中主要開展的試驗項目以及與其對應(yīng)的研究階段見表1。

表1 主燃燒室主要試驗項目

2 主燃燒室試驗數(shù)據(jù)庫設(shè)計思路

2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計需求分析

主燃燒室試驗數(shù)據(jù)庫的設(shè)計目標(biāo)是儲備試驗數(shù)據(jù)和對比、總結(jié)相關(guān)規(guī)律，以用于指導(dǎo)主燃燒室的設(shè)計和優(yōu)化。為此，試驗數(shù)據(jù)庫應(yīng)初步實現(xiàn)對包括原始數(shù)據(jù)、文本、圖片/圖紙、錄像、聲音等在內(nèi)的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分級管理、搜索、調(diào)取和應(yīng)用的功能，并在設(shè)計上滿足如下要求。

（1）具有動態(tài)建庫、數(shù)據(jù)分類管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析與處理功能，以及實現(xiàn)系統(tǒng)的管理、數(shù)據(jù)備份、權(quán)限控制功能及其應(yīng)用[14－15]；

（2）對原始數(shù)據(jù)(經(jīng)程序處理過的提供給設(shè)計的數(shù)據(jù))完全保存，并可根據(jù)需求進(jìn)行提取和處理；

（3）良好的數(shù)據(jù)管理和后處理功能，數(shù)據(jù)管理靈活，能夠有選擇性采用多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可采用列表、曲線或圖像（包括云圖）等方式進(jìn)行顯示；

（4）可以對多組試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行同時顯示和比較；

（5）用戶界面簡單明了，整潔實用；

（6）數(shù)據(jù)庫自身具有良好的兼容性、開放性、可維護(hù)性和擴(kuò)充性；

（7）具有良好的保密性，針對不同用戶設(shè)置不同權(quán)限，根據(jù)使用部門的不同制定不同的管理界面和數(shù)據(jù)查詢界面，便于不同用戶開展工作；

（8）實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器的交互，支持多用戶并行操作，可以有選擇地處理和下載數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)的高效使用、靈活管理、支持多用戶操作，并盡可能地簡化數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，在試驗數(shù)據(jù)庫的設(shè)計中采用B/S（客戶端瀏覽器——服務(wù)器）數(shù)據(jù)庫構(gòu)架[5-6]，如圖1所示。其中數(shù)據(jù)庫包含試驗的全部數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)。業(yè)務(wù)邏輯層（或業(yè)務(wù)服務(wù)器）通過“分級權(quán)限管理”的機(jī)制來管理數(shù)據(jù)的入庫存儲、調(diào)取和處理，并對數(shù)據(jù)庫用戶的權(quán)限進(jìn)行管理。界面層是使用層面，是用戶與數(shù)據(jù)庫交互的界面，由于各用戶的需求或權(quán)限的不同，界面層將實現(xiàn)不同應(yīng)用功能。

圖1 B/S模式的數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

2.3 數(shù)據(jù)構(gòu)成分析

主燃燒室試驗數(shù)據(jù)庫中管理的內(nèi)容應(yīng)包含試驗數(shù)據(jù)和試驗相關(guān)信息，數(shù)據(jù)類型涵蓋試驗數(shù)據(jù)、數(shù)組、文本、圖片/圖紙、視頻、音頻等多種形式，主要內(nèi)容如下[11-13]。

（1）試驗任務(wù)信息（試驗的任務(wù)書和大綱）。

（2）試驗件信息（試驗件的名稱、結(jié)構(gòu)參數(shù)、特征參數(shù)、圖紙，同一編號試驗件不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)對比等）。

（3）試驗臺和測試能力信息（試驗臺的能力和可進(jìn)行的試驗項目、測試設(shè)備數(shù)據(jù)、實時狀態(tài)等數(shù)據(jù)）。

（4）試驗標(biāo)準(zhǔn)和測量標(biāo)準(zhǔn)。

（5）試驗類型信息（例如性能試驗、結(jié)構(gòu)試驗等）。

（6）試驗信息（包含試驗狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、試驗人員、試驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象和排故過程）。

（7）試驗測試數(shù)據(jù)（經(jīng)過2次儀表處理的原始數(shù)據(jù)、圖表等）。

（8）試驗分析數(shù)據(jù)（分析處理后的試驗數(shù)據(jù)、曲線和圖像等）。

相關(guān)數(shù)據(jù)在試驗數(shù)據(jù)庫中以結(jié)構(gòu)樹的形式進(jìn)行管理,數(shù)據(jù)的層次和相互關(guān)系如圖2所示。在層次結(jié)構(gòu)中，任務(wù)的來源（項目）為試驗數(shù)據(jù)管理的頂層，在同一任務(wù)來源中可以有多項試驗任務(wù)（以試驗編號區(qū)分）；1項試驗任務(wù)可以分為多個試驗項目；每個試驗項目中包含同一類試驗的1次或多次試驗數(shù)據(jù)記錄；每次記錄數(shù)據(jù)有惟一的編號確定，同時記錄數(shù)據(jù)亦可為多組試驗數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)據(jù)集。而分析數(shù)據(jù)是在測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上處理獲得的圖表、曲線或云圖。

圖2 數(shù)據(jù)關(guān)系

3 數(shù)據(jù)庫基本功能的構(gòu)建

結(jié)合不同用戶對數(shù)據(jù)庫功能的需求，主要針對數(shù)據(jù)的管理、查詢、處理和權(quán)限管理等數(shù)據(jù)庫功能進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)。

3.1 數(shù)據(jù)管理功能

數(shù)據(jù)管理功能主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理人員對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的維護(hù)和數(shù)據(jù)入庫等，主要包括如下基本功能。

（1）數(shù)據(jù)信息的建立和數(shù)據(jù)庫屬性定義。

a.預(yù)先建立數(shù)據(jù)庫管理所必需的基本信息，為數(shù)據(jù)的入庫管理、數(shù)據(jù)的劃分和在數(shù)據(jù)庫中規(guī)范使用基本信息給出關(guān)鍵詞。

b.定義數(shù)據(jù)庫的屬性。對試驗數(shù)據(jù)庫的一些特性通過定義進(jìn)行確定和修改，實現(xiàn)對試驗數(shù)據(jù)庫的靈活使用和管理。

（2）數(shù)據(jù)入庫和建立數(shù)據(jù)關(guān)系。

a.實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時入庫和文件數(shù)據(jù)的入庫功能。實時入庫是指利用分布式網(wǎng)絡(luò)，將經(jīng)過數(shù)采程序計算后的原始數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸并按照其屬性和已規(guī)定的固定格式分別入庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集和入庫。文件入庫是指將數(shù)據(jù)按一定的語法規(guī)范整理為文件，通過導(dǎo)入程序的解析將文件中的信息按指定的數(shù)據(jù)屬性分解為數(shù)據(jù)、數(shù)組、字符、圖片、圖像、文檔等類型入庫，為數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)資源。試驗件、試驗設(shè)備、試驗標(biāo)準(zhǔn)、試驗任務(wù)書和試驗大綱等文本文件和圖片等數(shù)據(jù)通常只能采用文件入庫。

b.建立數(shù)據(jù)關(guān)系。為管理、查詢和數(shù)據(jù)應(yīng)用建立對應(yīng)關(guān)系，數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系應(yīng)在數(shù)據(jù)入庫時建立。相關(guān)數(shù)據(jù)建立對應(yīng)關(guān)系，如試驗說明與相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)關(guān)系、試驗數(shù)據(jù)與對應(yīng)的試驗分析數(shù)據(jù)關(guān)系等。

3.2 數(shù)據(jù)查詢功能

數(shù)據(jù)查詢是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，試驗數(shù)據(jù)庫應(yīng)具備以下查詢功能[7]。

（1）支持對元數(shù)據(jù)的多種查詢方式。

能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行層次查詢、條件查詢等多種方式查詢，并可對查詢出的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定條件的2次過濾篩選。能夠?qū)Ω鞣N數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)查詢，即通過1種數(shù)據(jù)查詢到相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，包括一對一、一對多、多對一等方式。

（2）支持對多種類型元數(shù)據(jù)的查詢。

能夠?qū)Χ囝愋偷脑獢?shù)據(jù)進(jìn)行查詢，包括字符、數(shù)據(jù)、多維數(shù)組、文檔、圖片、圖像等，并能按用戶需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)回放；能根據(jù)用戶的權(quán)限和需求對查詢數(shù)據(jù)按用戶選擇和要求的格式輸出到文件，以提供其他分析使用；可對圖片輸出，并且能夠為后置處理提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。

3.3 數(shù)據(jù)處理功能

試驗數(shù)據(jù)大多以數(shù)據(jù)流的形式存在，只有將試驗數(shù)據(jù)按照一定要求處理為曲線、分布圖像、云圖等形式，才能為數(shù)據(jù)提供最直觀的分析方式，作為試驗數(shù)據(jù)庫的主要功能，數(shù)據(jù)處理功能應(yīng)滿足如下要求。

（1）圖形處理能力。

a.曲線處理能力：對選擇的數(shù)據(jù)按需要進(jìn)行組合、排序，并繪制X Y圖、等值線圖（2 D圖）等多種曲線輸出；能夠以不同顏色或線形區(qū)分多組曲線，能夠?qū)⒍鄺l曲線分多個窗口顯示，也可將多組曲線在同一窗口對比顯示。

b.特性曲線的定制：通過定制建立各特性線（如燃燒室進(jìn)口速度與點火余氣系數(shù)曲線）的數(shù)據(jù)關(guān)系，用戶在查詢及選擇出分析所需的數(shù)據(jù)后，通過相應(yīng)的特性線控件即可繪制出所需特性線。

c.特征場的處理能力：針對主燃燒室試驗中對燃燒室出口溫度場、燃燒效率分布、燃燒室壁溫場等特征場的關(guān)注，在主燃燒室試驗數(shù)據(jù)庫設(shè)計中力求實現(xiàn)在試驗件空間坐標(biāo)與試驗測量數(shù)據(jù)間建立對應(yīng)場分布的顯示，顯示形式可以為云圖、等高線圖或標(biāo)注等高線圖，其功能可實現(xiàn)單次試驗數(shù)據(jù)的處理，亦可將多次試驗的結(jié)果分多個窗口顯示。數(shù)據(jù)庫的云圖繪制功能如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫的云圖繪制功能

（2）數(shù)學(xué)處理功能。

系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)υ囼灁?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，以便設(shè)計人員能夠?qū)υ囼灁?shù)據(jù)進(jìn)行一定分析，并在數(shù)學(xué)處理后對數(shù)據(jù)進(jìn)行再繪圖、曲線外推和規(guī)律總結(jié)。

a.系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)對查詢出的數(shù)據(jù)按用戶需要進(jìn)行組合、排序、篩選，能夠進(jìn)行求和、求平均值、插值、擬合、平滑等多種數(shù)學(xué)處理。

b.在系統(tǒng)中應(yīng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)公式計算，允許手工建立數(shù)學(xué)計算公式，并能對其進(jìn)行語法檢查；在數(shù)據(jù)查詢中可顯示已建立的數(shù)學(xué)計算公式，并可選擇相應(yīng)數(shù)學(xué)計算公式，將選擇的數(shù)據(jù)帶入到計算公式進(jìn)行計算分析。

3.4 權(quán)限管理功能

為了確保數(shù)據(jù)安全及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的穩(wěn)定，在試驗數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建過程中應(yīng)考慮對不同用戶進(jìn)行身份登記和確認(rèn)，并對其權(quán)限進(jìn)行控制。

（1）用戶權(quán)限管理。

根據(jù)用戶身份和對試驗數(shù)據(jù)庫使用需求的不同，建立不同的使用權(quán)限的賬號。主要包括數(shù)據(jù)庫管理、試驗室管理、試驗室、設(shè)計室管理、設(shè)計室、試驗管理用戶，除數(shù)據(jù)庫管理用戶可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的全局管理和權(quán)限分配外，其他用戶只能對各自所涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、瀏覽或進(jìn)行其他操作。

（2）域名控制。

域名控制是對在1個工作域的用戶賦予數(shù)據(jù)管理權(quán)限或瀏覽權(quán)限，限制或阻止其他工作域的用戶訪問數(shù)據(jù)庫。

3.5 數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)

試驗數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)定期對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，確保數(shù)據(jù)庫在出現(xiàn)問題時數(shù)據(jù)及時恢復(fù)，防止由于系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障而造成數(shù)據(jù)信息丟失。

4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)

航空發(fā)動機(jī)主燃燒室試驗數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)依據(jù)B/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和構(gòu)建，設(shè)置獨立的服務(wù)器，并采用域名限制的安全防護(hù)措施，具有較好的網(wǎng)絡(luò)交互性能和安全性；數(shù)據(jù)庫的后臺軟件采用Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，服務(wù)器操作系統(tǒng)為Windows操作系統(tǒng)，從而確保軟件的可移植性、安全和效率；同時，基于面向?qū)ο蠛涂梢暬夹g(shù)的用戶界面的開發(fā)，系統(tǒng)軟件的編程采用JAVA語言[8-10]。

5 結(jié)束語

建立航空發(fā)動機(jī)主燃燒室數(shù)據(jù)庫,可以集中大量試驗數(shù)據(jù)并有效管理，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)快速查詢和有效分析。通過試驗數(shù)據(jù)的不斷積累、規(guī)律的不斷總結(jié),可為發(fā)動機(jī)主燃燒室設(shè)計提供可靠、豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),并為主燃燒室的仿真設(shè)計提供必要依據(jù)；同時通過長時間使用，主燃燒室數(shù)據(jù)庫的功能也將更加完善。

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