两机仿真丨航空发动机零部件、整机级三维数值仿真技术详解

航空发动机数字工程实践将仿真技术的重要性推上了一个新的高度，而大量先进信息技术的引入也为航空发动机仿真技术的发展带来了新的动力，不断推动着仿真技术的变革，为航空发动机产业高质量发展奠定坚实基础。

对于全发动机湍流燃烧及整机进排气耦合模拟，当前普遍采用RANS方法降低部分网格量进行典型状态的差量计算，但对于涡扇发动机非设计状态的非定常仿真，包含全环旋转部件、二次流、燃烧化学和耦合热传导等复杂几何和复杂流动现象，必须保证网格数量，其计算量无疑是巨大的。例如涡轮叶片的寿命预测是一个典型的多学科问题，要求模拟外部空气动力学问题、冷却通道流动、热传导、结构动力学和寿命预测，叶片故障通常由局部现象主导，因而高保真度仿真将会是提高寿命分析可靠性的基本因素，实际的分析只能采用高低保真度模型混合的方法，结果偏差较大。Burdet和Abhari估计准确模拟膜冷却涡轮叶片所需要的网格点数在5000万到1亿个。由此可知，随着发动机正向研制的深入，航空发动机仿真对象复杂度和网格规模快速提高，其庞大的计算量亟须E级计算技术的支持。

随着计算技术（特别是嵌入式计算技术）、通信技术（特别是5G通信技术）、新 型传感器技术（特别是无线传感器网络技术）和自动控制技术的飞速发展与日益成熟，信息物理融合系统（cyber physical systems，CPS）使航空发动机数值仿真实现了系统的实时感知、动态控制和信息服务。一方面，5G通信技术高速率、低延迟将使复杂分布式仿真中网络数据传输时延大大降低，从而可以大大提高仿真模型的复杂度和精度，提升仿真互操作的频度，同时5G对虚拟现实、增强现实、扩展现实等的促进，将大大提升航空发动机使用环境、试验、维修、控制等仿真的交互性、沉浸感；另一方面，计算技术的进步带来了边缘计算（edge computing）能力的大幅提升，新型传感器技术的发展支撑了航空发动机数字孪生技术的全面开花，结合多源实时传感器数据信息，数字孪生体可以在网络边缘模拟发动机运行状态，预测发动机各系统和零部件的趋势变化，实现对发动机全生命周期的健康状态监测与管理。

文章来源：两机动力先行