一种基于离散序列的温度畸变图谱反设计方法

摘要

一种基于离散序列的温度畸变图谱反设计方法。确定来流速度及上游畸变截面与下游图谱截面之间的距离；对喷嘴的排列分布编号，并将各喷嘴的热流组合序列设为向量α；将下游的目标图谱截面分别划分成量级N的单元，将所分得的微小单元以水平方向为零角度线，向外进行微小单元排序，记为图谱列向量β；分别构造列向量Q

说明书

技术领域

本发明涉及航空发动机的气动稳定性评估技术，尤其是涉及根据温度畸变图谱推算热源分布情况的一种基于离散序列的温度畸变图谱反设计方法。

背景技术

航空发动机的气动稳定性是评估发动机性能的重要指标，其要求发动机除了具备关键设计状态的优越性能以外，在整个飞行包线内均能够抵御降稳因素的干扰，保证足够的可用稳定裕度([1]赵运生.航空发动机气动稳定性分析系统研究[D].南京航空航天大学,2013)。然而飞机编队飞行、导弹发射等过程中，发动机进口就不可避免地吸入热流，热流的吸入将给发动机进口带来明显的温度畸变，严重的温度畸变将导致发动机进入不稳定工作状态，对温度畸变问题的深入认识将对未来航空发动机的设计研制具有重要意义。

鉴于温度畸变对发动机稳定工作的重要影响，美国、英国、中国、俄罗斯等主要航空大国对温度畸变开展了机理性、系统性的研究，并制定了相应的温度畸变生成及模拟器设计方法([2]代冰,叶巍.美、俄航空发动机稳定性标准对比分析[J].航空标准化与质量,2009(02):44-48)。现有温度畸变主要是在进气通道内设置一定数量的喷嘴，在喷嘴处进行点火燃烧或者热流注入从而实现气流温度的局部增加，并通过控制喷嘴的热流强度从而实现畸变测量截面图谱定制的目的。目前，为了得到指定的温度畸变图谱，工程上主要做法是在确定的喷嘴数量和喷嘴分布基础上，通过数值仿真或者试验的方式，对喷嘴的热流强度组合方式进行研究。由于目前缺乏温度畸变图谱的定制设计方法，在温度畸变图谱的精细调试中将耗费大量的人力物力，且存在研制周期长、设计复杂、试验随机性大等问题，因此寻找一种既能简便地获得复杂温度畸变图谱，又能保证图谱精确性的温度畸变设计方法显得十分必要。

发明内容

本发明的目的旨在针对现有温度畸变图谱精确设计方法等不足，根据温度畸变图谱推算热源分布情况，提供一种基于离散序列的温度畸变图谱反设计方法。

本发明包括以下步骤：

1)根据给定的测量截面温度图谱分布，确定来流速度及上游畸变截面与下游图谱截面之间的距离；

2)根据温度生成喷嘴数量M和喷嘴分布，对喷嘴的排列分布进行顺序编号，并将各喷嘴的热流组合序列设为向量α；

3)将下游的目标图谱截面分别划分成量级N的单元，将所分得的微小单元以水平方向为零角度线，一圈一圈向外进行微小单元排序，并基于温度畸变图谱采用插值的方式给N个单元进行温度赋值，并记为图谱列向量β；

4)分别构造列向量Q₁,…,Q_i,…,Q_M，其中Q_i记为(q₁,…,q_i,…,q_M)^T，除q₁设定为1之外，其它数值设置为0，即表示除第i个喷嘴处于最大热流状态，其它M-1个均处于关闭状态，其中，最大热流状态记为1，最小热流状态记为0；

5)分别开展第i个喷嘴处于最大热流、其它M-1个处于关闭状态的数值仿真或者试验研究，测量下游的温度畸变图谱，并参考步骤3)的编号，得到向量(a_1i，a_2i，a_3i…a_Ni)^T，总共M个喷嘴即形成矩阵

6)根据Aα＝β，对矩阵A取广义逆矩阵B，其中，BA＝E_M，E_M为M阶单位矩阵，反求热流分布向量α，即α＝Bβ，从而确定热流的分布，其中，向量α中最大值1、最小值0；

7)根据所得的向量α，得到上游各个喷嘴的状态，即通过调整热流注入强度实现特定温度畸变图谱，得到的结果为探究真实工况下的温度畸变提供数据支撑，故本反设计方法即为使用矩阵A和列向量β反求列向量α。

本发明可通过向量与矩阵的构造及求解进行分析，其中上游的热流离散序列分布为向量α，下游流动温度分布为向量β，两者之间的关系为矩阵A，向量α、β及矩阵A的构建方法详见具体实施方式部分。

本发明能够较为精确地再现温度畸变图谱所示真实流场的反设计理论方法，即以现有的温度畸变图谱为目标，在特定的温度喷嘴排列状态下，反求得到能够形成图谱所示温度畸变场的热流强度分布，考虑到温度畸变图谱一般在特定的来流速度状态下给出，上游畸变模拟器与温度畸变测量截面之间的距离一般为固定值，且工程上的温度生成喷嘴数量和喷嘴分布一般给定，针对温度畸变图谱进行上游温度畸变模拟器的求解可理解为：给定下游流动温度分布，构建上游热流与下游温度分布之间的关系，反求上游的热流离散序列。

本发明考虑到工程上的上游截面温度生成喷嘴数量和喷嘴分布一般给定，下游温度畸变空间分布主要通过调节喷嘴的热流强度进行处理，通过将不同热流强度的喷嘴状态处理于离散序列，不同喷嘴之间的相互关系则可理解为不同离散序列之间的向量运算。结合上游热流对下游测量截面温度分布的影响规律，构建不同的喷嘴状态离散序列，即可实现上游温度畸变模拟器对下游温度畸变图谱的正向影响规律分析。所谓的反设计则是由已知的温度畸变图谱，寻找上游喷嘴的离散序列组合，从而实现温度畸变模拟器的设计。

本发明具有以下突出的技术效果：

利用本发明可以模拟出真实工况下的热流分布并且得到精度较高的温度畸变图谱。由于燃烧段中每个喷嘴对测温面的影响得到了量化，避免了试验因大量的随机性尝试而造成的人力物力的浪费，大大缩短了试验周期。同时，反设计方法只需要建立起具有映射规律的矩阵A的数据库，即可从不同的温度畸变图谱出发快速地得到对应的热流分布，相较于传统方法显著地减少了测试费用。

附图说明

图1是温度畸变试验装置俯视简图。

图2是图1中试验段中的燃烧段内点火喷嘴的一种分布情况示意图(M＝21)。

图3是图1中试验段下游的测温面的一种分布情况示意图(N＝40)。

图4是图1中试验段下游的测温面通过试验模拟得到的一种温度畸变图谱示意图。

图中的标记为：1表示试验段中的燃烧段，2表示试验段中的燃烧段1中的燃油管，3表示试验段中的混合段，4表示试验段下游的测温面，5表示试验段中的燃烧段1中的输气管，6表示试验段中的燃烧段1中的固定杆，7表示试验段上游的进气口，8表示测试段中点火喷嘴横截面到测温面的距离，9表示点火喷嘴，10表示测温面中的温度测点，11表示温度畸变图谱中的高温畸变区域。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明实施例包括以下步骤：

1)根据给定的测量截面温度图谱分布，确定来流速度及上游畸变截面与下游图谱截面之间的距离；

2)根据温度生成喷嘴数量M和喷嘴分布，对喷嘴的排列分布进行顺序编号，并将各喷嘴的热流组合序列设为向量α；

3)将下游的目标图谱截面分别划分成量级N的单元，将所分得的微小单元以水平方向为零角度线，一圈一圈向外进行微小单元排序，并基于温度畸变图谱采用插值的方式给N个单元进行温度赋值，并记为图谱列向量β；

4)分别构造列向量Q₁,…,Q_i,…,Q_M，其中Q_i记为(q₁,…,q_i,…,q_M)^T，除q₁设定为1之外，其它数值设置为0，即表示除第i个喷嘴处于最大热流状态，其它M-1个均处于关闭状态,其中最大热流状态记为1，最小热流状态记为0；

5)分别开展第i个喷嘴处于最大热流、其它M-1个处于关闭状态的数值仿真或者试验研究，测量下游的温度畸变图谱，并参考步骤3)的编号，得到向量(a_1i，a_2i，a_3i…a_Ni)^T，总共M个喷嘴即形成矩阵

6)根据Aα＝β，对矩阵A取广义逆矩阵B，其中，BA＝E_M，E_M为M阶单位矩阵，反求热流分布向量α，即α＝Bβ，从而确定热流的分布，其中，向量α中最大值1、最小值0；

7)根据所得的向量α，得到上游各个喷嘴的状态，即通过调整热流注入强度实现特定温度畸变图谱，得到的结果为探究真实工况下的温度畸变提供数据支撑，故本反设计方法即为使用矩阵A和列向量β反求列向量α。

图1给出温度畸变试验装置俯视简图，与传统试验装置大体相同，点火喷嘴9依靠试验段中的燃烧段1中的固定杆6相互稳定，并且试验段中的燃烧段1中的燃油管2以及试验段中的燃烧段1中的输气管5和每个喷嘴相通；试验段中的混合段3的长度即为点火喷嘴9的横截面到试验段下游的测温面4的测试段中点火喷嘴横截面到测温面的距离8。反设计方法反推出的热流分布主要表现在图2点火喷嘴横截面上，依照反设计方法的结果向量α来调节试验段中的燃烧段1中的点火喷嘴9，在试验段下游的测温面4上利用测温面中的温度测点10得到数据，处理数据后获得图4温度畸变模拟图谱，并将其同已知的温度畸变图谱进行比对，若接近程度较好，则模拟出的热流场可表征真实热流场。

本发明的温度畸变试验段有两个主要的截面，分别是上游的点火喷嘴横截面以及下游的测温面。实际操作中，根据给定的温度畸变图谱，在测温面上确定每个单元的温度值，再根据反设计方法模拟出真实工况中热流分布，具体如下：

定义：第i个点火喷嘴的燃烧强度为α_i，得到热流分布为向量α；下游测温面上每个测点上得到的温度值记作b_j，所有的温度值构成了图谱列向量β。

假设在某时刻热流分布为α＝(α₁,α₂,...,α_i,…,α_M)^T，并且测温面上某个测点j该时刻的温度基于除热流外的其他因素而分别受每个喷嘴的影响为α_j1,α_j2,...,α_ji,…,α_jM，这些值从试验测得，其中只需知道某一轴线上三个点火喷嘴对下游测温面的影响，即可推算得到剩下若干个喷嘴的值。由数据点的线性叠加原理可知，点j在其他因素下受到的影响为α_j1+α_j2+α_ji+…+α_jM，上式每项前再乘以每个喷嘴此时的燃烧强度α_i就能得到该时刻点n温度总的影响效果b_j，即b_j＝α₁*α_j1+α₂*α_j2+α_i*α_ji+…+α_M*α_jM。故依照该思想以此类推，可构造矩阵A来反映上游热源对下游测温面的温度影响映射规律：

且Aα＝β

根据Aα＝β，对矩阵A取广义逆矩阵B，其中，BA＝E_M，E_M为M阶单位矩阵，故可以反求热流分布向量α，即α＝Bβ，从而确定热流的分布。

本发明避免了试验因大量的随机性尝试而造成的人力物力的浪费，大大缩短了试验周期；同时反设计方法只需要建立起具有映射规律的矩阵A的数据库，即可从不同的温度畸变图谱出发快速地得到对应的热流分布，相较于传统方法显著地减少了测试费用。

如图1～4所示，本发明包括试验段中的燃烧段1、试验段中的燃烧段1中的燃油管2、试验段中的混合段3、试验段下游的测温面4、试验段中的燃烧段1中的输气管5、试验段中的燃烧段1中的固定杆6、试验段上游的进气口7、测试段中点火喷嘴横截面到测温面的距离8、点火喷嘴9、测温面中的温度测点10、温度畸变图谱中的高温畸变区域11。

首先，根据发动机的型号，确定点火喷嘴横截面到测温面的距离8。然后根据发动机的工作状态，按照12个点火喷嘴9的排列分布对其进行顺序编号，并算出每个点火喷嘴9的燃烧强度函数曲线。

编号规则如下：

在热源处的圆截面上，以圆心为顶点、水平向右引出一条射线，这条射线设为水平基准线，即0°线，且逆时针旋转为正。将水平基准线沿着正向旋转并片寻点火喷嘴，其中，对于同一射线上的点火喷嘴9，自圆心向外，径向依次编号。按照上述编号方式，将M个点火喷嘴9依次排序。

每个点火喷嘴的燃烧强度通过调节输气和供油得到，理论上把最大燃烧强度定为1，最小值为0，其余的值在0～1之间取得。

将下游的目标图谱截面分别划分成量级N的单元，将所分得的微小单元以水平方向为零角度线，一圈一圈向外进行微小单元排序，并基于温度畸变图谱采用插值的方式给N个单元进行温度赋值，并记为图谱列向量β。

控制第i个点火喷嘴运行，剩下M-1个点火喷嘴关闭，即Q_i＝(q₁,…,q_i,…,q_M)^T，其中，q_i设定为1，其它数值设置为0，且最大热流状态记为1，最小热流状态记为0。分别开展第i个点火喷嘴处于最大热流、其它M-1个处于关闭状态的数值仿真或者试验研究，测量下游的温度畸变图谱，并参考上述下游目标图谱截面的编号规则，得到向量(α_1i,α_2i,...,α_3i,…,α_Ni)^T。总共M个点火喷嘴9即可形成矩阵

根据Aα＝β，对矩阵A取广义逆矩阵B，其中，BA＝E_M，E_M为M阶单位矩阵。故可以反求热流分布向量α，即α＝Bβ，通过离散点拟合得到的燃烧强度曲线，推算得出每个点火喷嘴9当前的输气供油状态，即当前的热流分布。

上述反设计方法反推得到的热流分布，模拟试验后得到图4温度畸变图谱，通过与已知的温度畸变图谱比对，尤其是高温畸变区11的面积和方位，进而模拟出真实的热流分布。本发明避免了试验因大量的随机性尝试而造成的人力物力的浪费，大大缩短了试验周期；同时反设计方法只需要建立起具有映射规律的矩阵A的数据库，即可从不同的温度畸变图谱出发快速地得到对应的热流分布，相较于传统方法显著地减少了测试费用。