[发明专利]一种多几何参数可调的进/排/发一体化航空推进系统建模方法

权利要求书

1.一种多几何参数可调的进/排/发一体化航空推进系统建模方法，其特征在于，步骤如下：

首先，在传统发动机部件级模型的基础上，进一步考虑进气道的激波结构和阻力对发动机性能的影响，考虑尾喷管的流量系数及推力系数在不同工况下的变化规律，通过准一维气动热力学和求解激波系的方法建立进气道和喷管模型；然后，在发动机模型中添加进气道和发动机的流量平衡方程、发动机与喷管的流量平衡方程，基于迭代方法建立推进系统模型；最后，将进气道和喷管几何参数的设计融入到发动机模型中，实现进排气系统结构尺寸的设计以及多个参数同时调节；

具体步骤如下：

S1：进/排气系统中准一维气动热力学模型搭建

S1.1：针对实际发动机构造，确定进气道和喷管的基本类型；

S1.2：确定进气道的结构参数和进气道的设计工作点，通过二维平面的几何关系建立进气道结构参数与实际发动机临界状态设计参数的对应关系；基于实际发动机构造，确定收-扩喷管的尺寸结构参数；

S1.3：确定设计的激波系结构，假定进气条件已知的情况下，利用求解激波系的方法求解不同进气条件下进气道的总压恢复系数及流量系数；已知波前马赫数Ma_f、气体绝热指数k和斜板角度δ，利用公式(1)通过迭代法求解确定激波角度β，通过公式(2)和公式(3)确定该激波的总压损失系数σ和波后马赫数Ma_b；

S1.4：建立发动机模型在亚声速阻力计算公式；亚声速条件下的阻力D_add主要由附加阻力构成，通过进气道唇口前气流在水平方向的动量损失计算，用计算公式(4)表示；T_th，Ma_th，A_th，W_a，_th表示喉部温度、喉部马赫数、喉部面积和喉部流量，δ₀表示进气道总转折角，Ma₀表示进气道进口马赫数，A₀表示进口自由流管面积，k表示气体绝热指数；

S1.5：建立发动机模型在超声速阻力计算公式；超声速条件下，进气道的外部阻力包括附加阻力和溢流阻力；当进气道流量系数大于等于最大流量系数时，工作于临界或超临界工况，溢流阻力为0；当进气道流量系数小于最大流量系数时，工作于亚临界工况，激波没有封口，出现溢流阻力；超声速阻力D_add的计算由公式(5)表示，H_e1、H_e2、H_e3分别表示进气道各激波间阻力的垂直截面高度，P_s1、P_s2、P_s3表示激波后静压力，P_s0表示进气道进口总压；

D_add＝(P_s1-P_s0)H_e1+(P_s2-P_s0)H_e2+(P_s3-P_s0)H_e3 (5)

S1.6：确定尾喷管的基本类型及可调变量，通过结构参数计算尾喷管的临界膨胀比，根据涡轮出口总压和环境压力判断尾喷管的工作状态：亚临界、临界、超临界；通过公式(6)计算尾喷管的临界膨胀比π_NZ,cr，其中Δ_μk表示锥形喷管流量系数分量，与喷管收敛半角α、收敛段长度L_c有关，β为扩张半角；

S1.7：当收-扩喷管处于超临界状态时，的面积比的大小影响出口马赫数，其中A₉表示喷管出口面积，A₈表示喷管喉口面积，通过公式(7)迭代求解获得出口马赫数Ma_9t；

S1.8：计算收-扩喷管的三个特征流动状态点，根据背压条件确定尾喷管内流动状态，进而计算喷管出口总压和静压力，总温度和流动速度；

S1.9：通过工程经验公式的方法，利用已知参数计算收-扩喷管的流量系数Φ_N和推力系数C_F，用于计算实际喉口流量和实际推力；公式(8)为流量系数的计算方法，A₇表示尾喷管入口面积，α表示喷管的收敛半角；公式(9)为推力系数的计算方法，J_C表示冲量系数，J_P(λ₉)表示喷管的计算冲量，F_N,id(π_N,us)表示喷管的理想推力；

S2：推进系统部件级模型的建立

S2.1：获取航空发动机模型关键部件的特性曲线；基于气动热力学，按照推进系统部件顺序逐一建立单个部件的输入输出模块，由气体流动方程、热力方程构成；

S2.2：基于模型工作条件和状态确定模型已知输入参数，通过共同工作方程确定迭代变量数量及种类，按照气体流程进行仿真计算；

S3：进气道及尾喷管的可变几何参数设计

S3.1：将进气道的结构尺寸作为输入的固定参数，连接至输入端，数值大小由设计尺寸确定；

S3.2：将进气道的斜板角度、放气门开度、附面层吸除开度作为可变参数，连接至输入端，动态过程中随时调整；

S3.3：将尾喷管的进口面积、收敛段长度、张段长度、收敛角度和扩张角度作为输入的固定参数，连接至输入端；

S3.4：将尾喷管的喉口面积、出口面积作为可变参数，连接至输入端；

S4:超声速飞行器进/排/发一体化计算平台搭建

S4.1：通过C++编程实现超声速飞行器进/排/发一体化部件级模型及迭代算法的设计，通过动态链接库将模型封装，并引入simulink模块中建立仿真平台；

S4.2：平台输入端参数包括进气道、尾喷管的结构尺寸和可调参数，发动机模型的可调参数以及环境工作条件，建立动态过程的仿真平台。