150案 例 AN LI
摘要：航空发动机数值仿真技术研究源于国外航空技术发达的国家。其作用主要是对航空发动机中的各个部分进行模拟，以便能够及时发现其中存在的问题，对航空技术领域的发展起到促进作用。因此，本文对航空发动机数值仿真技术在国内、外的发展进行的对比分析，并针对其的具体应用情况展开了讨论。关键词：航空发动机；数值仿真技术；应用一、数值仿真技术的发展（一）国外的发展情况国外对于航空发动机数值仿真技术的研究起步较早，各个航空发达国家为了促进数值仿真技术在航空发动机中的应用，纷纷制定了相应的研究计划。在这些国家中，以美国的发展研究规模最大，历经三十余年的开发，现已经开发了五代航空发动机数值仿真辅助系统。该数值仿真系统功能十分强大，其中包括了基于知识的工程、三维多学科发动机设计系统、基于设计的职能数值仿真、数字化的单元制造等多项技术。对美国航天航空事业的发展，做出了巨大贡献。同样作为航空航天大国，俄罗斯也针对航空涡轮发动机、燃气轮机等，制定了相关的计划以及数值仿真系统，并为数值仿真技术在航空发动机中的应用，专门开发了一套独立的计算体系。（二）国内的发展情况我国接触数值仿真技术较晚，初期以引进国外的数值分析软件为主，在自身技术的开发方面存在一定缺陷。由于我国对航空航天事业的重视程度不断升高，数值仿真技术逐渐被应用于航空发动机之中，并建立了面向国内、外的仿真中心，主要目的在于开展航空发动机数值仿真技术、实验数据库设计等方面的研究，加强国内外数值仿真技术的交流与合作，促进数值仿真技术在未来的发展。近年来，在国家的大力支持下，我国在航空发动机数值仿真技术领域又取得了许多重大突破，建立了航空发动机数值仿真平台，完善仿真中心。而且在技术上的突破，也使得我国在航天航空领域拥有了更为广阔的发展空间。（三）国内外发展的比较分析从目前的情况上来看，我国在数值仿真技术领域不断取得突破与进展。但是，综合技术水平与国外发达国家相比，差距依然比较明显。造成该情况的原因主要包括以下几点：首先，我国接触数值仿真技术的时间短、起步晚。国家对于数值仿真技术的重要性也缺乏了解。长期不受重视，使我国数值仿真技术的发展长时间陷入的停滞状态，只能依靠引进国外的先进技术来进行使用，对国外的数值仿真软件逐渐产生了依赖性，遏制了本国数值仿真技术的发展。其次，我国数值仿真技术还不成熟，对于数值仿真技术的研究缺乏针对性。任何科学技术的研究，都需要相应的人才资源做支撑。目前，我国从事数值仿真技术开发与研究的工作人员不足，导致我国研究人员队伍相对薄弱，缺乏对专业技术人才的培养。因此，导致国内、外数值仿真技术发展差距较大。二、数值仿真技术在航空发动机中的应用在实际的应用中，航空发动机主要使用数值仿真技术软件来实现数值仿真技术在航空发动机中的应用。如今，数值仿真技术的应用已经遍及了航空发动机各个部分的研究，具体如下：（一）在压缩机、涡轮方面的应用在航空发动机中，确保气动稳定性是最为重要的技术标准之一。从航空发动机的构造来看，以风扇、气压机和涡轮对于气体的流动最为敏感。因此，需要使用数值仿真技术对气压机以及涡轮的效率进行分析，确保二者的各级流动可以相互匹配，总效率达到设计要求即可。除此之外，在分析的过程中，除了要计算涡轮的效率以外，还要分析涡轮叶片的冷却效果。从实际的使用情况来看，对于压气机的数值仿真模拟数据十分精准，能够准确的反应出航空发动机内部气体的流动。而涡轮冷却的模拟试验中，数值仿真技术可以透过涡轮叶片复杂的设计，直接观察到叶片内部气体流动的情况以及换热的特点，效果十分明显。（二）在燃烧室方面的应用在航空发动机中，燃烧室的作用在于燃烧气体，并形成高温高压的燃气，推动涡轮进行旋转工作。以目前的技术水平来看，燃烧室的进气温度在800K作用，出气口温度在1600K~1800K之间。随着我国航空航天技术的不断发展，其进气、出气的温度很可能会更高。在这样的环境下，使用传统的观察、测量方式，很难准确的获得燃烧室内的气体流动情况。使用数值仿真技术，可以通过对燃烧室内情况的真实模拟，将燃烧室在工作中的气体流动情况、化学反应、污染物的生成与排放等方面真实的反应出来，有利于今后的研究与分析。（三）在航空发动机其他方面的应用数值仿真技术不仅可以应用于航空发动机的核心部分，还可以应用于其他领域。例如：对发动机封严的研究，对刷式封严以及石墨封严间流动差别的研究。此外，还可以在喷火系统，空气动力系统等众多领域进行广泛运用。由此可见，数值仿真技术在航空发动机中用途广泛，在未来的发展过程中，还要对其进行不断的研究，充分发挥数值仿真技术的优势，使我国的航天航空技术不断获得突破与提高。三、总结综上所述，航空发动机数值仿真技术，是信息技术与计算机技术在航空发动机上的综合运用。其目的在于，以该项技术为核心，建造一个航空发动机数值仿真技术平台。通过平台的建立，科学、合理地解决航空发动机中使用传统方法所无法解决的问题，快速的对现役航空发动机做出快速的故障诊断与分析，并为新技术的研发提供模拟仿真试用平台，对我国航空技术的发展做出重要贡献的同时推动我国科技水平进步，为提高我国综合国力奠定基础。参考文献[1]李忠飞.航空发动机仿真数据管理系统研究[J].企业技术开发月刊,2015(08).[2]曾军.气膜冷却涡轮数值仿真技术进展[J].航空科学技术,2015(02).（作者单位：中国航发沈阳发动机研究所）姚 昕航空发动机数值仿真技术发展与应用
Electronic Technology • 电子技术
Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程
• 77【关键词】航空发动机 数值仿真 高性能计算1 航空发动机特殊工程要求航空发动机有着高温、高压、高转速的机械特点，目前更是朝着负荷更高、效率更高、部件耐久性更好、结构更加紧凑的方向发展。同时，其内部的气动流向，特别是非定常、环保设计、流固耦合等特殊工程研究，也在逐步开展。这些工程应用研究，离不开高性能数值仿真计算，正确的数值仿真方法，有效的计算资源配置，能够提高产品设计质量，缩短设计周期，降低研制成本。2 主要数值模拟计算软件类型2.1 隐式结构分析应用程序隐式结构分析应用程序，其主要特点是线性度不好，加速比不高，跨计算节点后性能提高不明显；单个作业对内存的需求比较大，对存储I/O 的需求量非常大，通常在计算过程中，会产生大量的本地交换文件，这些文件是临时存放的，但文件存储的性能直接影响到计算效率。同时在计算过程中，各分布式节点需要进行大量的数据交换，经验表明许多问题的计算成本大致与自由度数的平方成正比，而且磁盘空间和内存需求也以同样的方式增长。在行业内，主要计算商业软件包括Ansys，Abaqus以及Nastran等，也有自行开发的计算软件，经过我们应用测试，这类软件的运行通常在SMP小型机或胖节点服务器上可以获得航空发动机高性能数值仿真应用文/陈高阳航空发动机是一种非常复杂的旋转叶轮机械，内部不仅存在主流道气体，还存在各种放气、引气等二次流动，以及结构部件对气体流动的干扰，通过计算机数值仿真模拟，在产品设计阶段就得到气动流向、温度、压力等关键参数，对发动机设计起到重要作用，数值仿真计算涉及到计算方法，计算资源、软件资源的配置等几个方面，恰当的选择资源和配置方案，可以起到事半功倍的计算效果。摘 要更好的性能，主要原因是单个作业对内存、存储I/O需求量大，且在计算过程中，会产生大量本地交换文件，因此，应用胖节点服务期运行隐式结构分析应用程序，可以起到事半功倍的效果，特别是在我们工程应用领域，其效率远远高于多节点并行处理方式。2.2 显式分析应用程序显示计算主要特点是并行效果好，能够在集群环境下，任务并行到多个计算节点，数据交换主要在作业递交和计算结果的提取两个过程，在计算求解期间，显式计算方式各节点之间数据交换的频率和数据量并不大。在我们现有的运行集群系统构架中，通常每个节点配置2 个物理CPU，每个CPU 配置2GB 内存，本地配置固态硬盘。其中CFX和Flunt是两款常用的流体计算商业软件，在工程应用过程中，这两款商业软件当前主流版本表现了优秀的并行处理性能，并且解决了之前工程设计过程某些无法通过数据仿真计算来模拟的工程应用场景，如高网格精度单通道气动性能计算，单个3000万网格精度模型，300个左右设计方案，经过一个月的计算，工程设计选出了较优的方案。其中，ABAQUS和ANSYS是两款比较特殊的软件，它们的计算方法既支持显式计算，也支持隐式计算。我们常用的有限元软件一般都是隐式计算方法，就是解方程[K][U]=[P]。而显式计算则是使用时间积分的方法。显示积分在动力计算中几乎不存在不收敛的问题，所以在动力学及弹塑性分析中使用的较多，目前这是国内进行动力学及弹塑性分析中使用最多的两款软件。综上所述，在工程设计过程中，选取好的数值模拟方法配合恰当的计算精度，可以起到事半功倍的效果，并最终提高工程设计效率，得到较高的工程设计质量。当然，计算精度不是越高越好，在计算过程中，计算精度的提高，伴随的是计算资源的成倍增长，前期处理人力资源的增加，且计算精度在达到一定量级后，其计算结果将不再发生改变，因此计算精度的选取，应结合设计人员的工程经验和试验校核来进行。3 工程应用测试案例3.1 工程应用测试案例该测试以计算节点为单位，每节点配置20 核，测试 5 个不同的Fluent 算例，使用不同的 CPU 核数并行，分析 Fluent 算例的并行扩展性和算例规模、CPU 核数之间的关系。如表1所示。3.2 结论Fluent等这些主流商业计算软件，并行扩展性都较好，各进程间负载均匀，每节点内存需求不大，但内存访问带宽较大，InfiniBand流量带宽都比较大，对网络带宽和延迟性能要求较高，理论上节点数越多，计算效率越好，但不同商业软件版本，对最大并行节点数都有一定限制，随着新版本的软件更新，其支持最大并行节点数都会有一定的变化。参考文献[1]方民权等著.GPU编程与优化:大众高性能计算[M].清华大学出版社,2005. [2]刘文志著.科学计算与企业级应用的并行优化[M].机械工业出版社,2006.作者简介陈高阳（1976-），男，高级工程师。研究方向为信息安全。作者单位
150案 例 AN LI
摘要：航空发动机数值仿真技术研究源于国外航空技术发达的国家。其作用主要是对航空发动机中的各个部分进行模拟，以便能够及时发现其中存在的问题，对航空技术领域的发展起到促进作用。因此，本文对航空发动机数值仿真技术在国内、外的发展进行的对比分析，并针对其的具体应用情况展开了讨论。关键词：航空发动机；数值仿真技术；应用一、数值仿真技术的发展（一）国外的发展情况国外对于航空发动机数值仿真技术的研究起步较早，各个航空发达国家为了促进数值仿真技术在航空发动机中的应用，纷纷制定了相应的研究计划。在这些国家中，以美国的发展研究规模最大，历经三十余年的开发，现已经开发了五代航空发动机数值仿真辅助系统。该数值仿真系统功能十分强大，其中包括了基于知识的工程、三维多学科发动机设计系统、基于设计的职能数值仿真、数字化的单元制造等多项技术。对美国航天航空事业的发展，做出了巨大贡献。同样作为航空航天大国，俄罗斯也针对航空涡轮发动机、燃气轮机等，制定了相关的计划以及数值仿真系统，并为数值仿真技术在航空发动机中的应用，专门开发了一套独立的计算体系。（二）国内的发展情况我国接触数值仿真技术较晚，初期以引进国外的数值分析软件为主，在自身技术的开发方面存在一定缺陷。由于我国对航空航天事业的重视程度不断升高，数值仿真技术逐渐被应用于航空发动机之中，并建立了面向国内、外的仿真中心，主要目的在于开展航空发动机数值仿真技术、实验数据库设计等方面的研究，加强国内外数值仿真技术的交流与合作，促进数值仿真技术在未来的发展。近年来，在国家的大力支持下，我国在航空发动机数值仿真技术领域又取得了许多重大突破，建立了航空发动机数值仿真平台，完善仿真中心。而且在技术上的突破，也使得我国在航天航空领域拥有了更为广阔的发展空间。（三）国内外发展的比较分析从目前的情况上来看，我国在数值仿真技术领域不断取得突破与进展。但是，综合技术水平与国外发达国家相比，差距依然比较明显。造成该情况的原因主要包括以下几点：首先，我国接触数值仿真技术的时间短、起步晚。国家对于数值仿真技术的重要性也缺乏了解。长期不受重视，使我国数值仿真技术的发展长时间陷入的停滞状态，只能依靠引进国外的先进技术来进行使用，对国外的数值仿真软件逐渐产生了依赖性，遏制了本国数值仿真技术的发展。其次，我国数值仿真技术还不成熟，对于数值仿真技术的研究缺乏针对性。任何科学技术的研究，都需要相应的人才资源做支撑。目前，我国从事数值仿真技术开发与研究的工作人员不足，导致我国研究人员队伍相对薄弱，缺乏对专业技术人才的培养。因此，导致国内、外数值仿真技术发展差距较大。二、数值仿真技术在航空发动机中的应用在实际的应用中，航空发动机主要使用数值仿真技术软件来实现数值仿真技术在航空发动机中的应用。如今，数值仿真技术的应用已经遍及了航空发动机各个部分的研究，具体如下：（一）在压缩机、涡轮方面的应用在航空发动机中，确保气动稳定性是最为重要的技术标准之一。从航空发动机的构造来看，以风扇、气压机和涡轮对于气体的流动最为敏感。因此，需要使用数值仿真技术对气压机以及涡轮的效率进行分析，确保二者的各级流动可以相互匹配，总效率达到设计要求即可。除此之外，在分析的过程中，除了要计算涡轮的效率以外，还要分析涡轮叶片的冷却效果。从实际的使用情况来看，对于压气机的数值仿真模拟数据十分精准，能够准确的反应出航空发动机内部气体的流动。而涡轮冷却的模拟试验中，数值仿真技术可以透过涡轮叶片复杂的设计，直接观察到叶片内部气体流动的情况以及换热的特点，效果十分明显。（二）在燃烧室方面的应用在航空发动机中，燃烧室的作用在于燃烧气体，并形成高温高压的燃气，推动涡轮进行旋转工作。以目前的技术水平来看，燃烧室的进气温度在800K作用，出气口温度在1600K~1800K之间。随着我国航空航天技术的不断发展，其进气、出气的温度很可能会更高。在这样的环境下，使用传统的观察、测量方式，很难准确的获得燃烧室内的气体流动情况。使用数值仿真技术，可以通过对燃烧室内情况的真实模拟，将燃烧室在工作中的气体流动情况、化学反应、污染物的生成与排放等方面真实的反应出来，有利于今后的研究与分析。（三）在航空发动机其他方面的应用数值仿真技术不仅可以应用于航空发动机的核心部分，还可以应用于其他领域。例如：对发动机封严的研究，对刷式封严以及石墨封严间流动差别的研究。此外，还可以在喷火系统，空气动力系统等众多领域进行广泛运用。由此可见，数值仿真技术在航空发动机中用途广泛，在未来的发展过程中，还要对其进行不断的研究，充分发挥数值仿真技术的优势，使我国的航天航空技术不断获得突破与提高。三、总结综上所述，航空发动机数值仿真技术，是信息技术与计算机技术在航空发动机上的综合运用。其目的在于，以该项技术为核心，建造一个航空发动机数值仿真技术平台。通过平台的建立，科学、合理地解决航空发动机中使用传统方法所无法解决的问题，快速的对现役航空发动机做出快速的故障诊断与分析，并为新技术的研发提供模拟仿真试用平台，对我国航空技术的发展做出重要贡献的同时推动我国科技水平进步，为提高我国综合国力奠定基础。参考文献[1]李忠飞.航空发动机仿真数据管理系统研究[J].企业技术开发月刊,2015(08).[2]曾军.气膜冷却涡轮数值仿真技术进展[J].航空科学技术,2015(02).（作者单位：中国航发沈阳发动机研究所）姚 昕航空发动机数值仿真技术发展与应用
第４２卷第３期 Ｖｏ１．４２ ＮＯ．３ 红外与激光工程 Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１３年３月 Ｍａ１．２０１３
航空发动机红外辐射实验与仿真
李建勋，童中翔，刘万俊，王超哲，张志波，禚真福
（空军工程大学航空航天工程学院，陕西西安７１００３８）
摘 要：为研究航空发动机红外辐射分布规律和尾焰红外辐射特征，对地面试车条件下的某型发动
机进行了红外辐射特性测试实验。实验结果表明：发动机红外特性在不同的Ｍａ数下变化较小，但因
低压压气机出口的温度随飞行Ｍａ数增大而升高，发动机外壁面的红外辐射随之增加；发动机混合室
璧面红外辐射最为强烈，其红外辐射强度随飞行Ｍａ数的增大呈非线性增大；尾焰的红外辐射呈现梨
形包络，发动机在后方的辐射明显强于前方。在地面试车条件下，文中开发的尾焰红外辐射仿真程序 的计算结果与实测结果基本吻合，相对误差不超过１５％，并且其空间分布基本一致。
关键词：红外辐射；发动机；尾喷管；尾焰； 建模仿真
中图分类号：Ｖ２３１．３；ＴＮ２１ 文献标志码：Ａ 文章编号：ｌ【）（】７—２２７６（２０ｌ３）０３—０５４９—０７
Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｏｆ ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ
Ｌｉ Ｊｉａｎｘｕｎ，Ｔｏｎｇ Ｚｈｏｎｇｘｉａｎｇ，Ｌｉｕ Ｗａｎｊｕｎ，Ｗａｎｇ Ｃｈａｏｚｈｅ，Ｚｈａｎｇ Ｚｈｉｂｏ，Ｚｈｕｏ Ｚｈｅｎｆｕ
（Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ ７１００３８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｌｏｎｇ ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ ａｎｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ
