涡轮虚拟试验环境技术

　　在过去的一个世纪，通过引入高性能的计算机技术，加强了飞行试验和地面试验。而在最近几年内，随着流体力学、热力学、结构力学、传热学、材料力学、燃烧理论和控制理论的发展，建模与仿真技术在飞行系统研制过程中发挥了非常重要的作用。计算机计算能力和计算速度的迅速增强，更进一步推动了飞行系统的研制。

　　为了研究、分析和制造涡轮，需要进行一定的试验，通过设计不同的试验环境，验证涡轮设计。试验的方法基本可以分成两大类：一种是直接在物理系统上进行，另外一种是先构造一定的数学模型，通过对模型的试验来代替或部分代替对真实系统的试验。尽管第一种方法是必须的，但是第二种方法日益成为研制的常用方法。

　　虚拟试验环境就是通过充分利用多学科的理论、计算机技术和试验数据库，用计算机虚拟技术进行设计和分析，论证工程设计的有效性，以达到快速、优质、低成本和最佳服务的目的。

　　虚拟试验是以建模技术、仿真技术和可视化/虚拟现实技术为基础，建立虚拟试验环境和虚拟试验对象进行的一种试验。具体而言，虚拟试验是在长期积累的大量有关试验数据、动力学模型以及各类三维模型的基础上，利用高性能计算机、网络环境、传感器和各种虚拟现实设备，建立能方便地进行人机交互操作的虚拟环境，在此环境中对虚拟样机进行试验，用可视化的方法观察被试验对象的性能及其间的相互关系，并对试验结果进行分析与研究，通过验证与评估技术，指导实物试验、建模及设计，从而能够达到缩短研制周期，降低研制费用的目的。

　　虚拟试验是在计算能力飞速发展的情况下发展起来的，当前成为武器研制中不可缺少的环节，它与飞行试验、地面试验并重，并互相影响和促进，如图1所示。

图1 虚拟试验、地面试验和飞行试验关系图

　　随着现代武器装备研究的快速发展，虚拟试验越来越受到重视。美国海军采用了虚拟试验技术对战斧导弹开展试验与评价计划，借助地面功能试验（FGT）设备和仿真试验软件，采用专用试验程序，对导弹从助推段到巡航段直到飞行终点的所有阶段进行虚拟飞行测试，获得了以往只能通过飞行试验才能得到的数据。美国红石技术试验中心、阿伯丁试验场、尤马试验场、白沙导弹靶场等陆军著名的试验场都先后开展了虚拟试验。他们在战术导弹、坦克车辆、火炮等武器研制过程中以及产品验收过程中应用虚拟试验的研究成果，提高了试验质量，节省了弹药、试验样机、材料和人力等相关的费用。

　　国内在卫星、地空导弹、船舶、引信、坦克等方面也开展了相应的虚拟试验方面的技术研究。以卫星工程结构动态试验为基础，通过建立有限元模型，提出了卫星振动台虚拟试验。国防科技大学在地空导弹虚拟试验方面，提出了虚拟试验靶场。地空导弹虚拟试验靶场是一个分布式的、复杂的一体化虚拟试验系统,它可以在一个虚拟的仿真环境中对地空导弹的性能进行有效的测试和评估,并根据结果给出地空导弹系统的优化方案。地空导弹虚拟试验靶场支持地空导弹系统的设计、试验、训练的全过程,从而有力地辅助完成性价比比较高的地空导弹系统的研制。船舶工业以CFD技术为基础，形成了船舶虚拟试验的数值水池。

　　某弹用发动机涡轮试验台采用了很多气流管道、气流调节设备，通过控制冷热气流的掺混实现涡轮进气温度的调节，通过不同阀门的开度调节，实现涡轮进气压力和排气压力的调节。大量的调节阀门，使试验台的调试成为一项十分繁重的工作。不同的涡轮部件，由于空气流量不同、落压比不同、输出功率的不同，其各阀门的开度和调节方案存在很大差异。这样造成调台过程既耗费时间，又耗费了大量物质和财力，影响了涡轮性能的确定和进一步的优化。

　　如图2所示，为某涡轮试验台的简化模型，包括了各种调节阀、气路、掺混器、消声器等单元。具体工作流程是：阀1和阀2调节进气的压力和流量，阀3控制燃烧的气体，经过加热后，在掺混器与阀4出口的气体混合，达到一定的温度、压力和流量后，一部分直接释放到大气，主要部分经过阀6进入试验对象，推动对象运行，阀7将运行后的气体释放到大气中。

图 2 涡轮虚拟试验环境原始系统模型

　　涡轮虚拟试验环境的研究重点是涡轮试验台的进气和排气系统，在对管路的转弯、掺混、调节阀等建立数学模型的基础上，建立整个涡轮试验台的虚拟试验台，通过数值计算获取不同试验条件下各调节阀的开度，实现整个系统的控制最优。

　　涡轮虚拟试验环境通过定义接口与涡轮性能子平台进行双向数据通信，传递试验气路压力、温度等参数，同时综合评估与修正模块以实物测试系统产生的阀门开度、各测试点温度、压力参数为输入，对试验环境的模型进行修正。

　　涡轮试验环境从系统学角度来说，是我们所要研究的对象，通过图2所建立的一次模型，进而可以形成仿真模型，也就是建立在二次模型上的试验。二次模型也就是系统的数学模型，是对系统与外部的作用关系及系统内在的运动规律所做的抽象，并将此抽象用数学的方式表达出来。从系统学角度，一个系统可以定义为如下集合结构：

　　其中：

　　T：时间，描述系统变化的时间坐标，T为整数则称之为离散时间系统，T为实数则称之为连续时间系统。

　　X：输入，代表外界环境作用于系统的描述。

　　Ω：输入段集，是输入的一个子集，代表着某段时间内的外界输入。

　　Q：内部状态集，表示系统的历史记录数据，将影响着现在和未来系统的响应，是内部结构建模的核心。

　　Y：输出集，代表着系统作用于环境的参数，输出和输入除方向不同之外，其他基本相同。

　　δ：状态转移函数，该函数是一个映射，任意时刻的内部状态和从该时刻起的输入段惟一地决定了段终止时的状态。

　　λ：输出函数使假想的系统内部状态与系统对其环境的影响相关联，系统不允许输入直接影响输出，输出函数是一个这样的映射：Q→Y。

　　涡轮虚拟试验环境中主要是热传导，因此，该数学模型是分布参数的连续系统，需要采用偏微分方程进行描述。有限差分法是求解偏微分方程的一种常用计算方法，但在实际的应用过程中有一定的局限，根据该环境的特点，采用了有限体积法（FVM）。

　　描述连续介质流动力学的基本方程是Navier-Stokes方程组，在形式上是包含质量守恒方程（亦称连续方程）、动量守恒方程、能量守恒方程三个关于时间和空间的偏微分方程组，计算所求解的数值模型应该以这三个方程为本源，根据应用的具体问题合理模型化并离散得到。

　　在微分方程的离散方法上，常用的方法有四种：有限差分法（FDM）、特征线法（MOC）、有限元法（FEM）和有限体积法（FVM）。其中，有限体积离散方法由于避免了有限差分法的格式守恒问题、克服了特征线法难以处理复杂边界连接的问题、免去了有限元法复杂繁琐的求解过程，因此在流动数值模拟方面具有广泛的应用前景。

　　有限体积法（Finite Volume Method—FVM）是将计算域划分为若干不重复(但可重叠)的控制体，每个控制体内包含一个布置有物理量的离散点，将积分形式的物理守恒律应用于每个控制体，假定节点间和控制体内物理量的分布来计算积分，从而得到一组有限体积方程，解方程得到各节点上的物理量。

图3 一维可压缩变截面瞬变管流有限控制体积受力分析

　　有限体积方程是从积分型物理方程出发建立的。积分与坐标系的选择无关，因此FVM不需要作坐标变换。同时，积分形式的物理守恒律可以描述间断，因此FVM可以正确捕捉间断。建立适用于连续介质控制体的欧拉（Euler）型积分形式的流动守恒方程，从一维瞬变流动守恒方程出发，采用有限元状态变量模型的空间交错网格划分方法，就能够推导适用范围更加广泛的有限体积模型。

　　根据图2原始系统模型及第三部分方法理论，对涡轮虚拟试验环境进行二次建模，具体的建模步骤如下所示。

　　（1）对系统的物理模型进行了模块化分解。模块划分的形式决定了模块的连接方式，因此，模块的划分有两个要求：一是要保证系统的分解和模块连接过程容易，二是任意模块的删除和插入不会影响到其他模块的运行。模块划分完成后，按元件的连接顺序对系统组件进行编号以便于识别。

　　（2）针对划分出来的模块建立数值模型，其结构应包括数值算法以及与其它模块的连接接口，数值算法的选择决定了本模块元件计算的精度和深度，同时决定了连接接口传递的数据内容，连接接口则保证元件之间物理连接和数值连接的准确性和便捷性。

　　（3）运用划分出的模块组合出待仿真的系统，即建立系统数值仿真模型。

　　涡轮虚拟试验环境建模中第三步中，包含了建模过程中诸多关键技术：其一，建立一个描述待仿真系统各元件之间连接关系的可配置的机制，提供用户可修改，这正是模块化建模的优点，用户在使用中不用修改计算程序就可以控制模块及系统；其二，由于采用了分布参数数值模型，必须对系统元件的网格划分建立处理机制；其三，必须对系统各元件的特性参数以及状态参数初始值建立输入机制。第四，建立通用物性参数库，包括流体介质物性参数库、管壁材料物性参数库以及管路外界环境参数库。第五，调用计算程序对系统数值仿真模型进行计算得出仿真结果，在计算之前，需要进行简单的仿真控制设置以给定CFL数、稳态仿真精度、动态仿真时间等参数。

　　涡轮虚拟试验环境系统模型如图4所示。

图4 涡轮虚拟试验环境模型

　　飞行试验及地面试验在未来发动机及其部件研制中会越来越少，试验的校核、验证和确认工作会得到加强，建立完整、综合及实用的虚拟试验系统是发动机快速发展的主要途径，通过对涡轮虚拟试验环境的研究及实现，能够推广到发动机其他部件的试验过程中，进而是整机的虚拟试验环境的建设，必将减少地面试验量、缩短研制周期和降低研制费用。

　　北京航天测控技术开发公司以通用测控产品为主，主要有六大类：基础测试测量仪器，包括16大类230余种的VXI/PXI/LXI/CPCI/CAN/GPIB总线系列化仪器模块及信号调理模块；软件及信息化产品，包括虚拟仪器测试开发环境和远程分布式测试与故障诊断系统；通用测试系统，包括“广灵通”通用测试平台及其系列产品；测试与维修保障系统，包括“华佗”电子设备电路板维修测试与诊断系统及其系列产品和装备维修测试与诊断系统；自动化控制系统，包括遥测遥控及工业自动化等系统产品；测试系统辅助配套产品。同时公司还可以根据用户的具体需求，提供ATE/ATS、DCS/FCS的系统集成、方案设计、技术咨询、软件开发、结构设计以及远程信息化测试、测试/诊断程序开发及技术培训与维护等服务。