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1.航空发动机变维度总体性能仿真方法 研究现状及展望

作者：王潘;唐梓杰;李清;刘良烨;伊卫林

作者单位：清华大学;中国航空发动机研究院;北京理工大学

关键词：0D 热力循环;整机性能仿真;变维度;中线分析;CFD 仿真

　　摘　　　要：随着部件间干涉影响加剧、学科间耦合影响加深，在航空发动机零维总体性能仿真过程中引 入高维度因素影响、进行变维度仿真具有重要作用和意义。剖析了变维度方法的提出背景，明晰了变维度 方法的发展现状，对比分析了实现变维度仿真的不同技术路径，并以进气道、风扇/压气机、尾喷管、核心机/ 低压系统等为具体对象总结了变维度混合仿真方法的应用成果。结果表明：变维度仿真方法可以有效提升 整机系统级性能仿真精度，自主可控的 0D 至 3D 程序是实现基础。部分耦合或特性修正方法在精度、耗时、 灵活性等方面最具优势。应着重发展新构型发动机（如变循环发动机）、真实工作环境（如吞雨）等影响的变 维度性能仿真研究。 

　　航空发动机总体性能仿真主要是指以涡轮基 发动机整机系统为对象、以 Joule-Brayton 热力循 环为理论基础、以部件级模型为主要组成部分、 以计算机程序或软件为手段、应用于方案设计至 运行维护全寿命周期各阶段的一种重要数值方 法[1]。鉴于其重要性，发展先进的航空发动机总 体性能仿真方法与技术在世界各国都备受重视， 是多项国家级研究计划的重要内容[2-4]。

　　常规的航空发动机总体性能仿真基于零维 （0D）部件级模型，具有计算速度快、求解精度高、 适用对象广等优点。但随着高性能航空发动机结 构布局的紧凑化，部件间干涉影响加剧、学科间 耦合影响加深，简单的 0D 仿真难以反映上述影 响，会造成较大误差。与此同时，发动机系统组 成日渐复杂，控制调节变量数目更为庞大（典型如 变循环发动机），简单的 0D 仿真很难有效地模拟 相关控制规律。因此，在整机模型框架下，各部 件仿真维度按需选取、实现整机变维度仿真是航 空发动机总体性能仿真的一个重要发展方向。 近 20 年来，美、欧等国整合不同维度、不同学科 已具备的数值仿真程序，系统开展了变维度整机 仿真系统架构顶层设计、不同变维度混合仿真方 法及技术对比研究、不同部件应用探索等工作， 推动了整机变维度混合仿真方法走向实用化。总 的来看，在经费稳定支持、计算机软/硬件计算能 力提升、数值仿真方法发展及各类发动机复杂工 作机理理解不断深化的共同推动下，整机性能仿 真已从单一学科（热力学性能）、单一维度（0D）仿 真向多学科（热力学、气动力学、质量、尺寸、强 度等）、多维度（0D-1D-2D-3D）联合求解方向发展[5-6] ， 可节省研制周期、研制费用达 20%～30% [1]。

　　本文以航空发动机整机总体性能仿真为出发 点，以变维度整机性能仿真方法为对象，系统分 析变维度整机性能仿真方法提出背景、发展现状， 结合文献中大量应用案例梳理其技术路径、挖掘 应 用潜力，并进一步探讨其面临的问题与发展趋势。

　　1变维度仿真方法提出背景

　　总体性能仿真技术伴随着涡轮基发动机的诞 生而出现，至今已有近 80 年的历史，经历了手算、 简单固定构型计算机编程计算[7]、任意构型计算 机编程计算[8-9]、灵活建模软件计算[10-13] 等多个发 展阶段，如图 1 所示。典型的有加拿大国家研究 委 员 会（National Research Council-NRC） 开 发 的 NRC 程 序 ， 英 国 开 发 的 TurboCode、 TurboMatch 程序，美国国家航空航天局（NationalAeronautics and Space Administration， NASA） 开 发 的 SMOTE（simulationofturbofanengine）程序、GENENG（generalized engine） 、 SOAPP（simulation of aerospace propulsion power） 、 NEPCOMP（navy engineperformancecomputerprogram）、NNEP（NACY/ NASA engine program） 、 NEPP（NAVY/NASA engine program） 、 TESS（tubobasedengine simulation system） 、 DYNGEN（dynamic generalized engine） 、 NPSS（numerical propulsion system simulation） 等 ， 欧盟研究人员开发的 Proosis（propulsionobjectorientedsimulationsoftware）、荷兰研究人员开发的 GSP（gasturbinesimulationprogram）、德国研究人 员开发的 GasTurb（gasturbine）等。运算快速、结 果准确、用途广泛、可灵活扩展是现代航空发动 机总体性能仿真工具的鲜明特点，并仍在不断提 升和改进完善。

　　20 世纪 80 年代以来，以计算流体力学为代 表的三维（3D）数值仿真方法发展起来并在航空 发动机研制过程中获得广泛应用[14] ，并与一维 （1D）、二维（2D） [15] 设计和分析方法共同支撑了 航空发动机设计体系。但传统航空发动机设计流 程中，设计方案的灵活变更或可更改性与分析维 度间是相互矛盾和制约的（如图 2 所示） [16] ，

也就是说在概念设计阶段主要基于低维度模型（典型 为 0D）进行快速的方案筛选和更替，之后将方案 固化再转而进行耗时的高维度详细方案设计。但 常出现的是已经基本确定和固化的方案因没有及 时考虑部件干涉和学科耦合影响而不得不返回概 念设计阶段重新迭代，耗费了大量的人力、物力 和时间。因此，如果能在航空发动机研制流程[17] 中（如图 3 所示）尽早考虑部件干涉、学科耦合影 响，将具有重要意义。

　　上述干涉、耦合影响更多地体现在高维度场 或精细几何变化，因此整机全三维仿真能较好地 体现上述影响，但其耗时量十分惊人。考虑到航 空发动机各个部件的维度影响并不相同，并不一 定需要所要部件都同时进行高维度仿真（如管道）， 如能够按需将不同维度仿真模型连接构建整机系 统，既可以获得关键部件、关键技术对整机性能 影响，又能降低整机建模维度及难度、减少仿真 时间，为此美国 NASA 的研究人员最先提出了整机模型中、

部件间不同维度模型混合仿真的方法 与技术[18] ，称之为维度缩放（zooming）或变维度仿 真（variablecomplexity），有时也写作多维度（poly dimension） [19]。随后欧盟、俄罗斯及中国的科研 人员也逐步开展了相关研究工作，变维度混合仿 真 方法开始得到较为广泛的应用[20-22]。

　　2不同变维度整机性能仿真方法及 实现路径

　　变维度整机性能仿真不仅要维持仿真系统的 收敛性、稳定性，还要尽可能地降低其时间消耗， 因此其运行模式及求解逻辑十分重要。

　　NASALewis 研究中心在 NPSS 研发过程中 针对于此进行了大量研究，确定 NPSS 的架构主 要包括 3 个部分：发动机应用模型、仿真环境和 高性能计算平台。而发动机应用模型着重 3 个功 能：部件集成、多学科耦合和变维度混合[23]。为 了实现变维度混合仿真，发动机应用模型被分成 5 个层次（第一级别～第五级别，见图 4） [24] ：概念 模型、运行性能模型、部件间干涉影响模型、单 独部件模型、单独部件真实物理场模型，分别对 应发动机整机仿真模型、发动机整机动态和控制 模型、时间/空间平均发动机整机模型、子系统或 部件时间/空间平均三维模型及部件三维非定常 模型。层级 1 和层级 2 为变维度仿真提供整机基 础模型，3D 部件仿真程序（如叶轮机性能分析程 序 MSTAGE）可用于层级 3～5 的分析，而模拟控 制单元通过控制不同维度间数据流（边界条件）的 传递实现不同层级也就是不同维度间的一体化求 解，如图 5 所示。

　　更进一步，NASA 研究人员提出了 4 种具体 的变维度仿真实现方法[25] ：①特性图替换（CFDin placeofmap）、②特性图修正（CFDtoupdatemap）、 ③部件嵌入（cyclewithCFDinit）、④低维度提供 高维度（2D 或 3D）系统数据。其中，特性图替换 方法是指使用 CFD 仿真模型计算获取部件在特 定工况下的特性图，用以代替通用特性图进行发 动机性能仿真；特性图修正方法是指使用 CFD 仿 真模型的计算结果对部件特性图进行修正，得到 新的特性图用以发动机性能仿真；部件嵌入方法 直接使用部件的 CFD 仿真模型替换部件零维仿 真模型进行发动机性能仿真；低维度提供高维度 数据方法中 0D 循环性能数据用于给二维或三维 整机提供初始参数或初场。基于上述层次结构及 多种变维度混合仿真方法，NPSS 仿真软件中仿 真模块的精度可以在 0 维稳态仿真到三维非定常仿真之间宽广范围内自由变化，在任意精度层次 上对发动机整机和部件进行分析。这一概念还进 一步的延伸至包含几何变维度仿真[26] ，如图 6 所示。 Cranfield 大学的 Pachildis 教授团队基于开发的涡轮基发动机

0D 总体性能仿真程序及软件 PYTHIA [27] ，从 2004 年开始持续开展了大涵道比 涡扇发动机整机仿真环境下变维度混合仿真工作， 其采用的方法分为解耦（de-coupledapproach） [28]、 部分集成（partiallyintegratedapproach） [29]、完全集 成（fullyintegratedapproach） [30] 这 3 类，如图 7 所 示，与 NPSS 研究中的①、②、③方法基本一致， 在此不做赘述。

　　在 NPSS 研究取得重大进展，效果十分显著 的 基 础 上， 欧 洲 启 动 了 VIVACE-ECP（value improvement through a virtual aeronautical collaborativeenterprise-europeancycleprogram）计划[31] ，整合 行业力量发展航空发动机高精度数值仿真技术， 开发面向对象的、可进行多学科/多精度分析的仿 真平台 Proosis [32] ，意图降低航空发动机的研发成 本并缩短研发周期，以保证欧洲航空产业在全球 市场中的竞争力。Cranfield 大学深度参与了其开 发工作，因此欧洲学术研究机构基于 Proosis 软件 提 出 了 解 耦 合 变 维 度 仿 真 方 法（de-coupled approach） 、 半 耦 合 变 维 度 混 合 仿 真 方 法 （semicoupledapproach）和直接耦合变维度混合仿真方 法（fully-coupledapproach） [33] ，先后开展了 0D-1D、 0D-2D、0D-3D 等不同维度的混合仿真研究[34] ，与 前述各方法也大同小异。从已有的研究结果来看， 特性替换或解耦合方法对先用程序的改动量最小、 最易实现，而完全耦合方法改动量最大且耗时量 很高，部分耦合的方法灵活度最高、可用的求解 策 略也较多。

　　3变维度仿真方法应用现状

　　迄今为止，变维度仿真技术已广泛应用于军、 民用航空发动机及燃气轮机的整机性能仿真中， 涵盖进气道、风扇、压气机、尾喷管、低压系统、 核心机等多个部件或系统，并进一步向更为真实 复杂工作环境影响如吞雨、新构型如变循环发 动机[35]、闭式循环动力等先进循环等应用方向 拓 展。

　　3.1考虑进气道高维度因素影响的变维度整机 性能仿真

　　2004 年开始，Cranfield 大学的 Pilidis 教授团 队陆续开展了短舱高维度、整机低维度的变维度 混合仿真研究工作，采用了解耦 0D～3D 变维度仿真（de-coupledapproach） [25]、部分集成 0D～3D 变维度仿真（partiallyintegratedapproach） [26] 和完 全 集成 0D～3D 变 维 度 仿 真 （fully integrated approach） [27] 这 3 种方法。其研究对象为大涵道比 涡扇发动机 CFM56，所用 0D 整机程序为自行开 发的涡轮基发动机总体性能仿真程序 PYTHIA， 短舱利用 Fluent 软件进行三维 CFD 仿真。在解 耦变维度混合仿真方法中，先单独利用 Fluent 计 算短舱特性，基于特性图进行整机性能仿真。而 在部分集成变维度混合仿真方法中，先对多个工 况点进行整机性能计算，基于各工况点短舱进出 口边界条件配置三维模型进行短舱性能计算，并 进行 0D 和 3D 性能数据的迭代求解，直至获得满 足精度的收敛解，并最终获得更为准确的短舱特 性图，基于该特性图进行各飞行工况的整机性能 仿真。在完全集成变维度耦合仿真方法中，不需 要事先计算特性图，而是在给定飞行工况下进行 0D 整机和 3D 短舱性能的不断迭代求解直至满 足精度要求，从而获得该点整机性能。从上述的 研究可知，解耦变维度混合仿真方法对程序的改 动最小，而部分集成和完全集成都需要着重解决 边界条件参数传递、求解收敛性等问题。从结果 来看，不同方法都表明变维度混合仿真结果与常 规 0D 仿真结果推力、耗油率等偏差大于 1%，十 分 有必要开展变维度仿真模拟工作[36]。

　　3.2考虑风扇部件高维度因素影响的变维度整机 性能仿真

　　2001 年，英国罗罗公司和 Cranfield 大学联合 开展了涡扇发动机 0D 整机模型中嵌入 1D 风扇 性能模型的研究工作，其研究对象是一涵道比为 4.2、风扇压比为 1.7 的大涵道比涡扇发动机[37] ， 其研究目的是在整机仿真中引入径向畸变对风扇 特性影响。2006 年，在以进气道为主要对象开展 整机变维度混合仿真深入研究的基础上，Cranfield 大学的 Pilidis 教授团队继续利用前文所述 的 3 种变维度混合仿真方法开展了以风扇为对象 的整机变维度仿真工作[38] ，着重开展了畸变对性 能影响分析。其研究的发动机对象是小涵道比涡 扇发动机，利用自行开发的流线曲率法 2D 程序 获得风扇特性替换 0D 总体性能分析常用的默认 特性图，对自动化求解流程的程序开发及数据传 递起到了验证和改进作用。2007 年，延续上述工 作，Pilidis 教授进一步开展了以静叶角度可调风 扇为对象的小涵道比涡扇发动机整机变维度仿真 研究[19,39] ，其采用的方法是 0D-3D 维度耦合。考 虑到 3DCFD 模拟的高耗时，引入 Mini-MAP 环节， 通过 Mini-MAP 中转，有效提升了求解的稳健性 并节省求解时间。该方法在 NPSS、Proosis 等软 件中也获得了广泛采用。基于该研究，较为深入 地获得了静叶不同导叶开度对风扇部件及整机性 能影响规律。2011 年 Safran 公司的 Pilet 等人利 用完全直接耦合方法、以单级风扇为对象研究了 高涵道比涡扇发动机整机性能仿真工作[40] ，其研 究对象为 DGEN380 涡扇发动机，对所开发的 0D3D 变维度混合仿真方法进行验证，为后续更深入 的风扇性能仿真做准备。2016 年，希腊 National Technical University 的 Alexiou 和 Cranfield 大 学 的 Pilidis 等人基于 Proosis 软件联合开展了某涵 道比 3.3 的分排涡扇发动机变维度混合模拟研究. 该研究以压比 1.5 的风扇为对象，将其基于 2D 流 线曲率法进行建模并与整机 0D 模型集成[41]。基 于上述研究，可以在整机层面很好地反应风扇几 何变化对性能影响，如叶片数对整机耗油率影响 规律。2017 年，Safran 公司的 Tantot 等人以 0D3D 变维度混合仿真方法研究了变节距风扇对超 高涵道比涡扇发动机整机性能及风扇喘振裕度影 响[42]。 该 发 动 机 为 欧 盟 FP7 框 架 项 目 ENOVAL 计划中的中短程用齿轮传动超高涵道比涡扇 发动机，地面起飞推力为 85kN、涵道比为 15.9、 总压比为 46.1。上述研究的结果表明可变节距风 扇是未来超高涵道比发动机的有效技术之一，可 以满足裕度和控制的需求，−5°至+5°变化是较为 合 适的范围。

　　3.3压气机部件变维度混合仿真研究

　　2000 年，NASA 的 Follen 等人[42] 以多级高压 压气机为对象进行了涡扇发动机整机性能变维度 混合仿真研究。该研究 0D 整机模型基于 NPSS 软件搭建，而高压压气机利用 P&W 公司的 1D 中 线性能预测程序建模。该研究的主要目的是更好 地模拟多排导叶可调、多处放气及引气、叶尖间 隙变化等高维度因素对性能影响。相关研究表明， 变维度混合仿真所得整机耗油率、推力等结果与 常规 0D 模型仿真结果有较明显差异，因此变维 度混合仿真工作十分重要。2007 年，希腊 National Technical University 的 Alexiou 以 Ruston 6MW 单轴燃气轮机整机为对象，针对其中 15 级轴流压 气机进行了 0D-1D 变维度混合仿真研究工作[33]。 其 0D 整机建模基于 Proosis 软件进行，其设计压比为 12。而 1D 压气机特性分析基于积叠加中线 分 析 程 序 进 行 。2015 年 ， 德 国 DLR 的 Reitenbach 等人[43] 以多级轴流压气机为对象进行了大 涵道比涡扇发动机整机变维度混合仿真。其研究 对象是 IAEV2500-A5 大涵道比涡扇发动机装配 的前 4 级导叶可调的 10 级高压压气机，着重研究 了可变导叶对性能影响。在他们的研究中，0D 整 机模型基于 GTlab 搭建，而高压压气机模型基于 ACDC 二维通流程序搭建。该研究较为创新的是， 引入了多目标优化算法进行起飞、最大爬升、巡 航 3 个典型工况点下的导叶调节规律优化，获得 了 较好的性能。

　　3.4尾喷管部件变维度混合仿真研究

　　2007 年，西北工业大学的叶纬对变维度混合 仿真航空发动机总体性能计算程序进行了研究[44] ， 其利用 iSIGHT 软件平台开发了模块化的发动机 性能计算程序。考虑到计算能力的限制和应用难 度，他们针对计算量要求相对较小、算法也比较 成熟的尾喷管实现了变维度混合仿真。该文通过 使用三维尾喷管计算和发动机特性计算程序相结 合的方法实现了在发动机性能计算中对尾喷管实 际流动情况的准确反映，解决了某型涡扇发动机 改型设计中尾喷管和发动机在设计点和非设计点 流 量不匹配的问题。

　　3.5核心机/低压系统变维度混合仿真研究

　　2004 年 ， Cincinnati 大 学 的 Turner 开 展 了 针 对 GE90 发动机的整机 0D～3D 变维度混合仿真 研究。该研究针对 GE90-94B 涡扇发动机搭建 0D 模型，而风扇、增压级、高压压气机、燃烧室、 高压涡轮、低压涡轮均采用 3D 仿真[45]。考虑到 3D 求解的高耗时性，又对各部件模型引入 1D 性 能预测程序，如压气机利用 STGSTK 程序[46] ，最 终构建了 0D-1D-3D 多维度耦合的仿真拟模型， 如图 8 所示。该研究第一次在整机框架下对风扇、 压气机、涡轮等多个核心部件同时进行高维度建 模，并获得了具有较高维度的整机性能模仿真模 型。2018 年，南京航空航天大学的李燕、彭惠兰 分别开展了面向涡扇、涡桨发动机整机的变维度 混合仿真工作[47-48]。他们基于开源程序 Tmats 搭 建整机性能仿真模型，其中低压系统（风扇、低压 涡轮）采用 2D 通流模型，而其余部件采用 0D 模 型。在上述研究中，按照直接耦合求解策略进行 了 性 能 分 析， 计 算 结 果 显 示 风 扇 流 量 误 差 为 2.56%，压比误差为 1.13%，效率误差为 3.57%。

　　3.6变循环发动机变维度混合仿真研究

　　2022 年，西北工业大学的宋甫等人[49-50] 针对 变循环发动机中的核心机驱动风扇级进行了变 维度混合仿真，分别采用了迭代耦合和改进完 全耦合方法。结果表明，采用改进完全耦合方 法时，直接将基于部件高保真度仿真模型得到 的压比和等熵效率应用于发动机循环参数分析， 可避免非线性方程组线性化过程对部件高保真 度仿真模型的重复调用，同时计算过程不依赖 于部件通用特性图。对于迭代耦合方法，采用 优化方法或者常规方法计算修正因子的计算速 度无明显差异。改进完全耦合方法与迭代耦合 方法计算结果无明显差异，且在使用优化方法 计算修正因子时收敛速度基本一致。与基准模 型相比，基于部件通用特性图的发动机零维仿 真 模 型 计 算 得 到 的 推 力 最 大 误 差 大于 8.34%， 而多维度仿真模型的推力和耗油率的误差均小 于 3%，多维度仿真模型可更准确地预估发动机 性能。2023 年，北京航空航天大学唐海龙教授 团队开展了基于混合维度仿真的自适应变循环 发动机引射喷管安装性能研究[51]。传统的基于 两股气流分别理想膨胀的引射喷管准一维流动 估算方法可以快速实现总体性能的估算并研究 其与 ACE 各部件的匹配工作关系，但该方法难 以反映引射喷管的真实性能，同时无法计算各 种工况下后体阻力，而基于计算流体动力学的 仿真则能够比较精确地实现对喷管内外流动的 仿真，研究其性能变化机理。但 CFD 仿真通常 局限于单个部件在典型工作条件下的性能仿真， 较难评估发动机各部件之间的匹配工作关系。 因此，该文基于变可信度代理模型，构建了引射 喷管 CFD 模型与 ACE 总体性能模型的混合维 度耦合仿真模型，提出了一种动态更新的联合 仿真方法，实现了对 ACE 典型工况下引射喷管 安装性能的快速评估，初步探索 ACE 引射喷管 的性能特征及设计需求，只需要 180次低可信 度 CFD 仿真以及 173 次高可信度 CFD 仿真即可 对 33 个 ACE 工作点下的引射喷管匹配性能进 行 精确仿真。

　　3.7其他问题的变维度混合仿真研究

　　2006 年， NASAGRC 研究中心的 LAVELLE 等人基于 NPSS 软件发展了以压气机、涡轮高维 度模型为对象的闭式布雷顿循环发动机性能模 拟[16] ，如图 9 所示，但仅对方法进行了描述，没有 给出具体结果。2015 年，NationalTechnicalUniversityofAthens 大学的 Roumeliotis 等人[52] 做出 了较有创新的工作，其以发动机吞雨为研究出发 点，开展了面向整机的多维度混合仿真在其所搭 建的整机框架下，进气道部件采用了 2D 建模、风 扇采用了 1D/3D 混合建模、增压级和高压级分别 采用 1D 建模，其余部件为 0D 模型，如图 10 所示。 所得研究结果表明，涡扇发动机吞雨后，增压级 中的蒸发量较小，而液滴撞击大都发生在增压级 和鹅脖段中，大约会有 50% 的液态水进入下游 部件。

　　4航空发动机变维度整机性能仿真 方法展望

　　自 20 世纪 90 年代以来，变维度混合仿真方 法经历了提出、探索、发展及应用等多个阶段，其 可行性、可用性得到了较好的验证和校验，也因 此吸引了诸多机构和学者进行了不断深入的研究 工作，并成为 NPSS、Proosis、GSP、GTlab 等工业 标准软件开展航空发动机整机仿真的主要功能之 一。尽管如此，航空发动机整机变维度混合仿真 方法仍有待完善，并应具有更为广阔的应用空间， 主要体现在：

　　1）多部件不同维度模型间的数据传递和一 体化求解能力仍有待提升

　　航空发动机变维度仿真中各部件采用不同维 度模型建模，各模型间的连接主要基于边界数据 的传递和反馈。从已有的研究结果来看，模型间 数据的传递一直是影响求解稳定性、精度的重要 因素。其主要原因在于各模型数据维度的不一致， 需进行升维和降维的特殊处理，而流量、转速、压 力、温度等参数的要求不尽相同但又需保持协调， 使得整机模型的收敛难度加大。在现有仿真方法 中，数据的降维主要以各种平均处理为主，而数 据的升维基本没有较好的处理办法，直接以均匀 场替代，这会在一定程度上抹除物理场本质，带 来较大误差，因此仍需深入研究适于航空发动机 不同部件、不同维度场的数据处理和传递方法。 除此以外，航空发动机变维度整机仿真模型 大都具有多层嵌套循环特征，如 0D 循环性能多 基于牛顿拉夫逊方法进行迭代获得收敛解、高维 度模型自身需要迭代获得收敛解、0D 和不同维 度模型间需要迭代获得全局收敛解等等，各维度 具有时间、空间上分辨率的不一致，因此如何省 时、稳健、高精度地获得整机参数约束下的各模 型收敛、各维度收敛、不同维度/不同模型间共同 收敛仍有大量工作需开展。最近，美国西南研究 院以 NPSS 软件为对象开展了一些探索和尝试， 从模型接口数据标准的制定、模型间通信由同步 向异步转换等方式意图提升整机变维度求解能力， 值得借鉴[53]。

　　2）变维度混合仿真方法的多维度实验验证 及校验

　　从已有的研究成果来看，变维度混合仿真已 应用于涡轮基发动机的进气道、风扇、增压级、 涡轮、尾喷管等诸多核心部件，领域较为广泛。 但尽管变维度混合仿真方法已发展多年，但大都 体现在方法验证、数值结果展示等层面。而且限 于各种限制，对于具体的发动机整机模型而言， 除特别关注的部件具有高维度数据和信息外，其 余部件或整机性能数据大都停留在较为表面的总 体性能，并不能很好地从部件干涉机理分析的角 度理解部件间的深层次相互影响。因此需要以具 备完整几何、参数数据的真实发动机为对象，深 入开展其不同部件、不同维度混合仿真下的整机 性能实验校验，以更好地验证航空发动机变维度 混合仿真的结果可信性，挖掘其进一步应用的潜力。 3）面向真实复杂环境下发动机服役性能分 析的拓展应用 从上面的文献梳理和结果分析还可以看出， 现有的变维度混合仿真应用主要集中在概念设计 和详细设计阶段，用于分析一些设计参数对性能 的影响规律、提出优化方案。从航空发动机的全 寿命周期来看，真实环境影响、性能退化、故障诊 断等整机性能分析都十分必要并且有诸多需求。 拓展不同部件模型的仿真能力，使其适用于更为 真实复杂的运行环境，发展可应用于全寿命周期 的整机变维度混合仿真方法，支撑数字孪生体的 构 建 将 具 有 重 要 意 义 。National Technical UniversityofAthens 开展的涡扇发动机吞雨变维度混 合 仿真工作较有代表性，具有启发意义。

　　5结　论

　　涡轮基发动机在可预见的未来，仍将是军、 民用航空动力的绝对主力，并会迅猛增长。为了 获得更高性能的航空发动机，数值仿真的重要性 日益增加，亦对其总体性能仿真技术提出了新的 挑战和需求。航空发动机变维度整机总体性能仿 真方法是在 0D 循环性能分析程序、各部件不同 维度性能仿真程序较为齐备的基础上发展起来的 较为先进的、面向整机的仿真方法。本文针对于 此进行了相关研究成果的梳理，并进行了一定程 度的分析，所得结论如下：

　　1）具有可自主开发、能不断改进建模的不同 维度、不同部件仿真程序是开展变维度混合仿真 研究的基础。变维度混合仿真需要对各维度、各 模型进行有机连接并求解，需要有针对性地改进， 并不断探索增强稳健性、收敛性的方法，基于固 化封装的商用软件无法完成或十分受限，因此应在自有代码的基础上不断完善。

　　2）面向对象、灵活建模、通用易用的 0D 整 机性能仿真程序是开展变维度混合仿真的基础。 而高精度、低耗时的 1D-2D-3D 部件模型是核心。 只有如此才能保证变维度混合仿真的可靠性、通 用性、灵活性，发挥其优势。

　　3）变维度混合仿真可实现整机框架下的任 意部件、任意维度混合，已在进气道、风扇、增压 级、涡轮、尾喷管等不同部件中都获得了应用，展 示了较好性能。

　　4）变维度混合仿真还具有更为广阔的应用 空间，如新构型发动机研制（变循环、组合发动机 等），服役状态下真实环境（如吞雨）下的性能分 析等，应予以重点发展和推进。