利用細分成角扇區的混合平面的機體-發動機空氣動力學模擬的制作方法
【專利說明】利用細分成角扇區的混合平面的機體-發動機空氣動力學模擬
技術領域
[0001]本發明涉及航空領域。本發明更具體地涉及飛行器的結構體的開發。
【背景技術】
[0002]在這樣開發期間，應考慮飛行器的發動機與飛行器的機體(即飛行器的機身，尤其包括機翼和尾部)之間的空氣動力相互作用。
[0003]限制一方面的發動機的入口和出口處的氣動流與另一方面的飛行器的機體上的氣動流(例如在機動期間)之間的相互作用是一個問題。
[0004]然而，發動機的尺寸不斷增加，因而越來越難以提供發動機與飛行器的機體之間的氣動隔離。因此，發動機與機體之間的空氣動力相互作用不能再被忽視，并且有必要在飛行器的設計中考慮到發動機與機體之間的空氣動力相互作用。
[0005]因此，求助于模擬來預測發動機-機體空氣動力相互作用變得不可避免，并且可以糾正發動機-機體空氣動力相互作用。目前，利用結合的發動機與機體的足夠詳細表示的已知模擬方法都不適合關于開發時間的工業必要性。但可以接受耗費幾小時的模擬，已知的模擬技術需要幾周，這難以接受。
[0006]因此，存在對機體-發動機(或發動機-機體)空氣動力相互作用以較短的模擬時間進行模擬的方法的需要。這是本發明的背景。

【發明內容】

[0007]本發明的第一方面涉及一種借助于計算機來模擬飛行器中的機體-發動機空氣動力相互作用的方法，所述方法包括下述步驟:
[0008]-在所述飛行器的至少一個發動機的模型的輸入部和/或輸出部處限定至少一個混合平面，
[0009]-限定所述混合平面的關于所述發動機的旋轉軸線定中心的多個角扇區，
[0010]-基于所述多個角扇區來執行混合平面空氣動力學模擬，
[0011]-獲得所述多個角扇區中的至少一個角扇區中的至少一個模擬結果，以及
[0012]-至少基于所述至少一個結果來判定所述飛行器的所述發動機與所述機體之間的空氣動力相互作用。
[0013]根據第一方面的方法實現了提供與工業飛行器開發時間相符的模擬時間并保持令人滿意的精確度的機體-發動機(或發動機-機體)相互作用的優化模擬。
[0014]這種模擬所需的計算被減輕。此外，這種模擬所需的存儲器的數量被減小。
[0015]發動機的所有元件均可以被考慮到。
[0016]角扇區的使用使得所有類型的氣流變化一一徑向變化或周向變化一一被考慮到，同時保持合理的計算復雜度。
[0017]根據第一方面的方法還使得發動機的對稱性能夠被考慮到，這使得模擬計算能夠被進一步減少。
[0018]飛行器的機體被理解為包括機身，尤其包括機翼和尾部。
[0019]根據第一方面的方法的使用為開發飛行器的結構體的工業過程的一部分。這使得開發時間能夠通過減小所需的模擬時間來節省。特別地，這提供了極大的靈活性，是因為多個模擬可以被連續運行以及時適應與該領域中所遵守的時間尺度相符的開發參數。
[0020]根據第一方面的方法通過計算機裝置來實施。
[0021]例如，所述扇區在所述混合平面的至少一部分中是規則的，并且模擬計算在所述至少一部分中的扇區中被執行，所述計算結果基于所述扇區的周期性被擴展至所述部分的其他扇區。
[0022]根據實施方式，所述角扇區限定成與所述發動機的葉片一致。
[0023]例如，對發動機的所述葉片的位置執行所述模擬，針對所述位置獲得的模擬計算結果被擴展至所述葉片的其他位置。
[0024]根據實施方式，所述混合平面被細分成多個部分，并且針對所述部分中的每個部分的至少一個扇區執行模擬計算，關于一部分中的每個扇區的計算結果基于所述扇區的周期性而擴展至所述部分的其他扇區。
[0025]例如，所述扇區被限定成與所述模型的網格線一致。
[0026]根據實施方式，至少一個角扇區(例如每個角扇區)的面積是所述發動機的葉片的面積的倍數。
[0027]例如，至少一個角扇區(例如每個角扇區)的面積與所述發動機的葉片的面積相等。
[0028]所述發動機的葉片的面積被理解為所述葉片沿所述發動機的旋轉軸線到混合平面上的投影的面積。
[0029]本發明的第二方面涉及一種計算機模擬裝置，該計算機模擬裝置配置成實施根據第一方面的方法。
[0030]例如，這種裝置包括處理單元，所述處理單元配置成實施根據第一方面所述的方法。
[0031]本發明的第三方面涉及計算機程序和計算機程序產品以及用于這種程序和產品的存儲介質，從而使得能夠在所述程序通過根據實施方式的計算機模擬裝置的處理器加載并執行時實施根據第一方面所述的方法。
[0032]本發明的第二方面和第三方面的主題提供了至少與通過第一方面在其不同實施方式中的主題提供的優點相同的優點。
【附圖說明】
[0033]本發明的其他特征和優點將通過閱讀下面的本詳細說明、通過非限制性示例并且從附圖中變得明顯，在附圖中:
[0034]-圖1示出了混合平面的使用；
[0035]-圖2A為發動機連同表示由機體引起的氣動擾動的物體以及位于發動機入口處的分區的混合平面的網格的立體圖；
[0036]-圖2B示出了圖2A中的混合平面的細節；[0037 ]-圖2C為圖2B中的發動機連同表示由機體弓I起的氣動擾動的物體以及在發動機的出口處的混合平面的網格的立體圖；
[0038]-圖3A至圖3B為執行飛行器的結構設計的步驟的流程圖；以及
[0039]-圖4為表示根據實施方式的計算機模擬裝置的簡圖。
【具體實施方式】
[0040]下文中描述了飛行器機體與飛行器的發動機中的一個發動機之間的相互作用的模擬。該模擬使用被稱為混合平面界面模型的數值方法(或模型)。在下文中，飛行器的機體被理解為包括機身，尤其包括機翼和尾部。
[0041]如由Sanders等在文件“TurbulenceModel Comparisons for Mixing PlaneSimulat1ns of a Multistage Low Pressure Turbine Operating at Low ReynoldsNumbers”(可在網址http: //www.enu.kz/repository/2009/AIAA-2009-4928.pdf獲得)中解釋的，在渦輪機的背景下，這種方法使得穿過具有相對于彼此運動的區域的領域的氣流的模擬成為可能。
[0042]圖1示出了這種方法應用于飛行器發動機。發動機入口處和出口處的氣動流在半徑恒定的線路112上進行平均。
[0043]同一線路的網格單元113上的每個流量值與其他流量值被平均114。所有網格單元然后接收到相同的計算平均值。
[0044]因此，該流在半徑恒定的有關線路上是恒定的。在發動機旋轉期間，所有發動機元件被認為不管其在旋轉期間的角位置如何都接收相同的氣流。因此，單一的模擬受發動機的單一位置的影響。通過對稱性的考慮，甚至可以模擬發動機的僅一個葉片。
[0045]為了考慮到流的所有變型(包括圓周變化)，并不僅是徑向變化(因此沿半徑)，下文中描述該方法的有利修改。
[0046]圖2A包括飛行器的發動機(具有入口E和出口 S)的模型200的立體圖。為了簡化圖，僅示出了發動機的模型。如將對于本領域的技術人員而言明顯的是，機體出于模擬的需求還必須建模。圖2A包括替代機體的模型的物體201的立體圖。物體201設置在發動機的前方并且干擾方向F上的氣動流。物體201因此在發動機的前面(在發動機的入口 E處)產生沿方向F的氣動擾動。物體201因此能夠模擬由飛行器的機體(例如在機動期間)引起的在發動機的入口處的氣動流的擾動。換句話說，物體201使得發動機與其在空氣動力學方面相互作用的飛行器的機體能夠被示出，特別地機體的在發動機固定的水平處的區域。
[0047]此處，物體201具有帶有從物體的筒狀本體徑向延伸的兩個翼片的整體圓筒形狀。然而，也可以選用其他形狀。
[0048]發動機以及表示飛行器的與發動機在空氣動力學方面相互作用的機體的物體根據網格原理而建網，網格的精細度取決于需要獲得的結果的準確性。
[0049]物體201與發動機之間的混合平面202限定在發動機的入口處，盡可能靠近葉片。
[0050]混合平面分區成表示混合平面的角部的多個扇區。扇區可以是規則的或不規則的。然而，優選的是選擇規則的扇區以有益于模擬的對稱性或周期性的特性。
[0051]扇區的數目可以根據模擬所需的精度而確定。扇區的數目越大，模擬的精度越高。然而，分區數目越多，模擬的計算成本越高。
[0052]通過選擇與發動機的葉片數目相等的扇區數目可獲得折衷。
[0053]為了減輕模擬計算，有利地可以使分區的線與網格的線一致。
[0054]根據實施方式，至少一個角扇區(例如每個角扇區)的面積是發動機的葉片沿發動機的旋轉軸線到混合平面上的投影的面積的倍數。
[0055]例如，至少一個角扇區(例如每個角扇區)的面積與該發動機葉片面積相等。
[0056]發動機的入口處的界面因此通常細分成分別與發動機的部件的模擬域相關聯的扇區。
[0057]利用本發明的實施方式，可以使用完整表示的包括葉片的發動機來執行機體-發動機相互作用的詳細的空氣動力學模擬。
[0058]多個分區的使用使得沿著垂直線路和徑向線路的氣流的失真被考慮到。
[0059]混合平面的使用使得能夠考慮及時不變的氣流(氣流對于所有模擬時間是相同的)。單一時間因此可以被計算出，這大幅減輕了計算。
[0060]計算還可以通過使用混合平面的分區的周期性來減少。
[0061]角扇區的使用使得能夠更真實地模擬機體-發動機相互作用，這