航空發(fā)動機作為飛行器的動力核心，堪稱工業(yè)領(lǐng)域中最嚴苛的物理實驗室。以通用電氣GE9X發(fā)動機為例——這是目前世界上最大的商用航空發(fā)動機，其直徑達3.4米的巨大風(fēng)扇能夠產(chǎn)生61噸的驚人推力，相當(dāng)于同時拉動300輛1.6噸級家用轎車的動力輸出。

然而，這種強大的動力輸出并非在理想環(huán)境中實現(xiàn)，而是需要在極端條件下保持穩(wěn)定運行。例如，燃燒室出口的燃氣溫度高達1850K（約1577℃），遠超鎳基高溫合金的熔點（1300-1400℃）。而渦輪前溫度更是達到了1700℃的量級。為了應(yīng)對如此嚴苛的工況，工程師們必須綜合運用氣膜冷卻、熱障涂層、單晶葉片等多重先進技術(shù)，以確保發(fā)動機在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的極限條件下依然能夠可靠工作。正是在這樣的背景下，數(shù)字優(yōu)化技術(shù)的引入成為航空發(fā)動機制造領(lǐng)域的必然選擇。

1.1 燃燒室的精準控制

1.2壓氣機的高壓挑戰(zhàn)

現(xiàn)有羅爾斯·羅伊斯UltraFan實驗數(shù)據(jù)表明，發(fā)動機壓氣機設(shè)計壓比達70:1，現(xiàn)代壓氣機葉片尖端馬赫數(shù)可達1.2，接近聲速，當(dāng)葉片尖端速度超過聲速時，激波會產(chǎn)生劇烈震動，就像戰(zhàn)斗機突破音障時的“音爆”。

1.3渦輪葉片的強度考驗

羅爾斯·羅伊斯的數(shù)據(jù)顯示，直徑30cm的渦輪葉片在15,000rpm時承受離心力約15噸。相當(dāng)于一片手掌大小的渦輪葉片在高速旋轉(zhuǎn)中承受的離心力相當(dāng)于吊起4輛SUV。

1.4二次空氣系統(tǒng)的精確分配

研究表明，如果引氣流量出現(xiàn)2%的偏差，可能會導(dǎo)致渦輪前溫度升高30℃。因此，為了確保發(fā)動機的性能和安全性，現(xiàn)代發(fā)動機對引氣系統(tǒng)的流量控制精度提出了極高的要求，通常需要控制在小于±3%的范圍內(nèi)

1.5控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)

1.6多物理場耦合的復(fù)雜影響

熱脹冷縮、氣流沖擊、機械振動的相互影響，可能讓某個零件的改進變成災(zāi)難。GE公司2018年確認LEAP發(fā)動機高壓渦輪裂紋問題，損失超2億美元。

Flownex是一款通過ISO9001:2008質(zhì)量認證的一維熱力系統(tǒng)設(shè)計與仿真軟件，能夠適用于航空工業(yè)中的熱力系統(tǒng)設(shè)計與仿真。Flownex包含航空工業(yè)熱力系統(tǒng)的標準元件庫（包括各類泵、多種閥門、基本管件、彎管、T型管、熱交換器、儲罐、換熱元件、各種壓氣機和渦輪等），能夠方便快速地搭建流動和換熱仿真系統(tǒng)。Flownex提供了單相、兩相流體以及混合流體的計算功能，能夠進行蒸發(fā)和冷凝的計算；Flownex還提供了控制系統(tǒng)元件庫，能夠建立完整的流動及控制系統(tǒng)；運用Flownex提供的多參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化功能能夠?qū)崿F(xiàn)熱力系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。

Flownex在航空工業(yè)中的應(yīng)用包括液壓系統(tǒng)、空中加油系統(tǒng)、地面加油系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、供水及衛(wèi)生系統(tǒng)以及消防系統(tǒng)等。

Flownex在飛機中的應(yīng)用

2.1液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是機械傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其作用為通過改變壓強增大作用力。一個完整的液壓系統(tǒng)由五個部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。液壓系統(tǒng)可分為兩類：液壓傳動系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)。液壓傳動系統(tǒng)以傳遞動力和運動為主要功能；液壓控制系統(tǒng)則要使液壓系統(tǒng)輸出滿足特定的性能要求（特別是動態(tài)性能）。飛行器中典型的液壓系統(tǒng)應(yīng)用包括主控制助推器、起落架收起和放下、飛機副翼、襟翼及縫翼的打開與收起、艙門或天窗的打開及關(guān)閉、發(fā)動機反推力裝置等。

簡易飛機液壓系統(tǒng)圖

• 液壓系統(tǒng)的典型部件包括：滑油箱、穩(wěn)壓箱、油濾、增壓泵、安全活門、轉(zhuǎn)換活門、控制閥、作動筒、熱交換器以及管件等。Flownex雖然沒有專門的液壓系統(tǒng)專業(yè)包，但是也可以很好的仿真相關(guān)的元件。

  
  

• Flownex提供了Reservoir和Accumulator元件，可以用于模擬滑油箱和穩(wěn)壓箱等零部件?；拖錇檎麄€滑油系統(tǒng)提供和存儲潤滑油，保證在波動及損耗泄漏的情況下系統(tǒng)能正常工作；穩(wěn)壓箱能夠吸收滑油系統(tǒng)運行過程中的壓力脈動，消除系統(tǒng)中的水錘現(xiàn)象，在突發(fā)情況下能夠幫助整個系統(tǒng)保持壓力不變。

  
  

• Flownex提供了軸流式、離心式以及容積式壓縮機和泵，能夠用于模擬液壓系統(tǒng)中的各種增壓泵。

• 
  

• Flownex標準元件庫中包含調(diào)壓閥、止回閥、球閥、蝶閥等，能夠很好的模擬安全活門、轉(zhuǎn)換活門以及控制閥等各種系統(tǒng)中涉及到的閥門。

  
  

• Flownex包含熱交換器元件庫，如管殼式換熱器、翅片式換熱器等；還提供了一般的換熱元件，可以根據(jù)需求，添加導(dǎo)熱、對流以及輻射元件，計算完整的換熱過程。

  
  

• Flownex提供了基本管件、彎管、T型管、三通等基本元件，用于快速搭建管路系統(tǒng)，管件也可以隨意添加換熱元件，計算流動和換熱過程。

Flownex提供了設(shè)計和優(yōu)化功能，能夠幫助設(shè)計整個液壓系統(tǒng)的壓力分布、優(yōu)化換熱器和管路的尺寸以及泵的合理選擇。Flownex的瞬態(tài)計算功能能夠用于預(yù)測瞬態(tài)過程以及突發(fā)情況下系統(tǒng)的壓力變化。添加Flownex的控制控制元件，仿真完整的流動換熱系統(tǒng)在指定控制策略下的流動過程。Flownex能夠考慮流體粘性隨溫度的變化，也可以用于仿真飛行器在不同環(huán)境，如不同飛行高度和馬赫數(shù)情況下系統(tǒng)的變化過程。

2.2燃油系統(tǒng)

飛機燃油系統(tǒng)又稱外燃油系統(tǒng)，因為發(fā)動機上還有一套系統(tǒng)將燃油輸送到燃燒室內(nèi)去，后者稱為內(nèi)燃油系統(tǒng)。飛機的心臟——發(fā)動機依靠燃油燃燒產(chǎn)生熱量作功，推動飛機飛行。燃油是飛機的能源，燃油系統(tǒng)是飛機能源的供應(yīng)系統(tǒng)。供油系統(tǒng)包括燃油箱、增壓泵、單向活門、油濾以及管路等。燃油箱具有足夠的容量，保證發(fā)動機正常工作時的消耗。隨著油箱內(nèi)的油面下降，通氣管將外界大氣或者增壓空氣引入油箱，填補油面下降空出的空間。增壓油泵向發(fā)動機供油，保證發(fā)動機的燃油泵進口具有足夠的油壓。單向活門只允許燃油向一個方向流動，這樣可以防止各油箱內(nèi)的燃油串流。燃油流過油氣分離器，將供油時帶進去的氣體或從燃油內(nèi)揮發(fā)出的氣體分離出來，避免氣體進入發(fā)動機的油泵內(nèi)。飛機燃油系統(tǒng)內(nèi)有時也裝油濾，以清除臟物、雜質(zhì)，保證燃油清潔。

Flownex能夠用于設(shè)計、優(yōu)化和仿真飛機的燃油系統(tǒng)，可以運用標準元件庫，包括閥門、泵、管件以及容器等快速計算燃油的分布。Flownex也可以仿真和設(shè)計蒸汽系統(tǒng)和燃油熱交換系統(tǒng)。Flownex的控制系統(tǒng)能夠幫助設(shè)計和優(yōu)化燃油分布，在飛行過程中或者空中加油時，保證飛機中心的穩(wěn)定。

2.3環(huán)境控制系統(tǒng)

飛機環(huán)境控制系統(tǒng)是保證飛機座艙和設(shè)備艙內(nèi)具有乘員和設(shè)備正常工作所需的適當(dāng)環(huán)境條件的整套裝置。飛機環(huán)境控制系統(tǒng)包括座艙供氣和空氣分配、座艙壓力控制 、溫度控制、濕度控制等。座艙供氣系統(tǒng)是座艙增壓和空氣調(diào)節(jié)的氣源，主要功用是使艙內(nèi)氣壓高于大氣環(huán)境氣壓并保持艙內(nèi)空氣清潔。空氣分配系統(tǒng)使調(diào)溫空氣流入并分布于艙內(nèi)，在艙內(nèi)造成合適的溫度和速度分布，以保證艙內(nèi)的舒適環(huán)境條件。

?飛機環(huán)控系統(tǒng)示意圖

Flownex能夠?qū)︼w機環(huán)控系統(tǒng)進行仿真與優(yōu)化，包括從壓縮機供氣壓縮機、經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)閥、空氣預(yù)冷、艙內(nèi)的空調(diào)以及壓力控制等整個系統(tǒng)級進行仿真，同時還可以仿真飛行高度和飛行馬赫數(shù)變化時，環(huán)控系統(tǒng)中的各部件的變化過程。Flownex具有兩相流和混合流體的計算功能，因此可以計算空氣中水蒸氣的蒸發(fā)和冷凝過程，計算得到環(huán)控系統(tǒng)中的濕度變化。