民用飞机发动机优化设计与排放分析方法研究

摘要

民用飞机发动机的总体性能优化设计一直以来是民用飞机发动机设计的一大热点问题。一般地，整个优化设计应该包括从飞机任务需求到发动机总体性能方案设计再到方案评估这一完整过程，而目前飞机任务需求、发动机总体性能方案设计、方案评估这三部分往往相对独立，未使整个发动机设计体系成为一个有机的整体，影响了发动机设计的效率。特别是随着“绿色航空”成为民用航空工业发展的新趋势，对发动机方案的评估已不仅仅局限于发动机性能本身，还应该包括对污染物排放量、噪声的计算分析。本文就是针对以上问题，基于发动机总体性能方案设计流程，对民用飞机发动机优化设计与排放分析方法进行系统的研究，建立一套较为完整的民用飞机发动机优化设计与排放分析仿真系统。整个仿真系统根据发动机设计流程中各学科之间的相互关系，以及模块化集成软件的思想，可分为五大模块：飞机性能模块、发动机性能模块、飞机/发动机一体化设计模块、现代优化算法模块、污染物排放量的计算分析模块。
　　本研究主要内容包括：⑴建立了一套基于飞机几何尺寸和翼型参数的升阻特性计算模型，对有增升装置和无增升装置下的飞机升阻特性进行了计算，将计算结果与参考值进行对比分析表明该方法与参考值吻合较好，弥补了升阻特性不易获取和计算精度低的不足；为了进一步详细地模拟飞机在全航线上的飞行过程，并由此评估发动机在全航线上的燃油消耗量与污染物的总排放量，基于飞行力学模型与民用飞机典型航线任务，采用比例积分控制法建立了民用飞机发动机全航线性能与污染物排放量的计算模型。⑵根据气流在发动机内部的压缩、燃烧、膨胀做功、膨胀加速以及掺混过程建立了发动机气动热力计算数学模型，结合发动机空气系统引气准则和功率提取原则，对民用涡扇发动机设计点循环参数开展了分析研究；根据民用飞机发动机特有的控制规律，对六种发动机的工作状态（最大起飞、最大连续、最大爬升、最大巡航、空中慢车、地面慢车）进行了计算分析，特别针对大涵道比涡扇发动机在低转速下增压级的防喘问题展开研究，通过增压级喘振裕度反算增压级后放气量的方法，实现了发动机在低转速下的等喘振裕度控制计算；针对发动机的安装性能，采用实验特性与修正相结合的方法对进排/气系统的安装损失展开研究，计算分析了发动机在整个飞行包线内的安装性能。⑶对飞机约束分析与任务分析展开研究。首先运用约束分析模型，计算机翼载荷与起飞推重比之间的关系，并由此构成约束分析求解域；再以“低推重比高机翼载荷”的原则确定约束分析设计点；最后根据任务分析模型，结合飞机实际任务需求，初步确定了飞机的最大起飞重量和推力需求。⑷对比分析了现代优化算法对传统优化算法的优势，着重对本文所采用的差分进化算法展开研究。引入基于均熵的种群初始化方法、精英保留策略、改进后的罚函数以及自适应三次变异进化方法对基本差分进化算法进行改进，增强了算法的全局搜索能力，提高了计算效率。⑸分析了现有的排放计算方法，选择能与发动机总体性能模型相结合的修正模型法和多反应器模型法开展研究。在修正模型法中，详细介绍了修正模型法中的 SAGE模型和 AERO2k模型排放计算方法。在多反应器模型法中，从 NOx、CO、UHC、烟的生成机理出发，结合燃油雾化与燃油液滴蒸发模型、燃烧化学反应平衡模型、简化火焰锋面模型计算了CF6-80C2B1发动机地面典型工况下的NOx、CO、UHC的排放指数和烟粒子的发烟数，并与ICAO数据库中的实测数据进行对比，由此表明多反应器模型法与实测数据吻合较好，拥有较高的计算精度。本文还对以上三种模型的计算结果进行了对比分析，对比结果表明三种排放计算方法所计算的结果在趋势上是相同的，而三种模型计算结果的偏差程度根据污染物的种类和发动机工作状态的不同而有所不同。

目录

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2民用飞机发动机的发展特点与趋势

1.3民用飞机发动机总体设计的研究现状和发展

1.4民用飞机发动机排放计算分析研究现状和发展

1.5本文主要研究内容

第二章 民用飞机发动机优化设计与排放分析建模

2.1发动机总体性能方案设计流程

2.2发动机总体性能优化设计与排放分析框架

2.3发动机总体性能优化设计与排放分析建模内容

2.4本章小结

第三章 飞机升阻特性建模研究

3.1无增升装置下的升力系数

3.2带增升装置下的升力系数

3.3无增升装置下的阻力系数

3.4带增升装置下的阻力系数

3.5 B767-200ER飞机升阻特性计算

3.6本章小结

第四章 发动机性能模拟建模研究

4.1气动热力过程计算方法

4.2设计点循环参数分析

4.3非设计点性能计算方法

4.4民用飞机发动机的控制规律

4.5发动机安装性能

4.6本章小结

第五章 飞机/发动机一体化设计建模研究

5.1约束分析研究

5.2 B767-200ER飞机约束分析算例

5.3任务分析研究

5.4 B767-200ER飞机任务分析算例

5.5发动机设计点高度和马赫数的确定方法

5.6 B767-200ER飞机发动机设计点高度与马赫数计算分析

5.7本章小结

第六章 优化算法研究

6.1优化算法技术概述

6.2优化算法选择

6.3基本差分进化算法

6.4改进型差分进化算法

6.5改进后的优化算法测试与分析

6.6本章小结

第七章 发动机总体性能方案优化设计

7.1优化建模

7.2优化变量

7.3约束条件

7.4优化算例分析

7.5本章小结

第八章 排放计算方法研究

8.1 SAGE模型排放计算方法

8.2 AERO2k模型排放计算方法

8.3基于SAGE模型和AERO2k模型的PW4056发动机排放计算

8.4基于多反应器模型的排放计算方法

8.5基于多反应器模型的发动机排放计算

8.6本章小结

第九章 发动机全航线性能与污染物排放量计算分析

9.1飞行力学模型

9.2民用飞机的典型航线任务

9.3民用飞机航线任务求解方法

9.4民用飞机发动机全航线性能与污染物排放量计算分析

9.5不同飞行条件对燃油消耗量与污染物排放量的影响

9.6本章小结

第十章 结论与展望

10.1主要结论

10.2主要创新点

10.3下一步研究工作

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

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