燃油喷嘴结构化网格参数化设计基础开题报告

 2021-08-08 02:08

全文总字数:2277字

1. 研究目的与意义

一般航空燃烧室多采双油路用燃油喷嘴,经过扩压气的高温高压气体与燃油混合,会造成燃油焦结,降低喷嘴寿命,因此需要对燃油喷嘴进行热防护设计。复杂结构在采用CFD进行数值分析是需要进行大量的实体建模和结构化网格划分,一般来讲结构化网格的每个节点的周围都有相同数目的元素,这样使得复杂外形的网格生成比较困难,这部分工作要耗费很多的人力物力和时间,因此需要对模型进行参数化设计。用一组参数约束该几何图形的一组结构序列,参数与设计对象的控制尺寸有显示对应,赋予不同的参数序列值时,就可驱动几何图形达到新的目标几何图形[3],保证模型修改的一致性和有效性。将这种参数化应用于航空部件零件上,可以大大的缩短设计的时间,节省设计所需要的人力物力,对于企业实现快速设计,提高市场竞争力具有重要的现实意义。

2. 国内外研究现状分析

在环形燃烧室中,火焰筒的头部布有一圈燃油喷嘴。经过喷嘴的雾化过程,液体燃料受惯性力和空气撞击力的作用而被撕裂成直径细小的液滴群,极大地增加了液体的表面积,加快了其蒸发速度,帮助燃油在燃烧室内进行充分的燃烧,提高燃油效率,减少污染物的排放。由于喷嘴的供油量与油压的平方根成正比,所以普通单油路喷嘴供油量的变化范围为4~5之间,但是由于发动机在不同转速下工作时,所需油量的变化很大,大转速是的供油量一般比小转速时的供油量大十几至几十倍,只有一条通路面积的单油路喷嘴就不能满足要求,变工况范围受到限制,所以目前航空发动机一般使用双油路喷嘴。双油路喷嘴有主油路和副油路,相互独立。喷嘴主要由流量分配阀门、壳体、内管、主副喷口、外罩和隔热屏的部分组成,在数值模拟计算过程中,由于其实际结构较为复杂,故对其进行适当简化以便于网格划分及后续计算。简化后的模型与真实喷嘴按几何相似原则设计,环腔等结构与真实喷嘴基本相同。上部采用平行管道结构,分别作为主副油路的通道;下部采用双层管壁嵌套结构,外环侧为主油路通道。

结构化网格是指网格区内部所有的点都相互毗邻,即具有相同的毗邻单元。这种结构化网格的优点有:生成速度快,质量好,网格的数据结构简单。但是最明显的缺点就是结构化网格只适用于规则的图形。复杂形体的非结构网格比较容易产生,因为其网格产生可以有自动方法,根据其形体特征,程序可以自动产生非结构化网格。虽然使用非结构化四面体网格生成附在外型几何体的网格非常容易,使用也很方便,但是在保持相同节点数量的情况下,采用四面体网格生成的网格数量大约是使用六面体结构化网格的五倍,相应的计算时间和内存都比结构化网格大很多。另外,非结构化网格数值计算精准度也不高。然而结构化网格,因为有六面体形状和对应边网格的约束,在处理复杂形体时都需要进行人工分区,产生多分区网格策略,然后针对每个分区和相邻分区进行网格自动产生。因此考虑到采用分块结构化网格来对复杂形体进行划分。分块结构化网格,又可称为组合网格,是一种在不规则区域中求解流动和传热问题的重要划分网格的方法。分块结构法就是将具有不规则形状的对象按照求解区域划分成若干个规则的六面体,从而对每一个规则的六面体进行结构化网格离散,并且对于每一块都是可以采用适体坐标法来生成网格。这样的大大提高了网格划分的质量,加快的网格划分的速度。采用这种方法,降低了网格生成的难度,同时,由于对求解区域采用分块的方式,可以方便的对不同区域设计网格的疏密度,可以照顾不同的区域对空间尺度的需求,便于求解代数方程式。

参数化设计以约束造型为核心、以尺寸驱动为特征。在参数化设计中采用参数化模型,设计者可以通过调整参数来修改和控制几何形状,实现产品的精确造型,对已有设计的修改,只需变动相应的参数,而无需运行产品设计的全过程。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统,可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来,可以大大提高设计速度,并减少信息的存储量。参数化为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等提供了手段,使用户可以利用以前的模型方便地重建模型,并可以在遵循原设计意图的情况下方便地改动模型,生成系列产品,大大提高了生产效率。目前,参数化设计的研究范围已由最初的二维图纸参数化设计发展到了覆盖产品的整个生命周期参数化设计,研究的对象除了传统的二维图纸、三维零件实体等以外,还包括零部件间的装配关系,产品特征,产品变型设计等产品层次的参数化表示模型。中使得参数化自身的含义得到了进一步的拓宽。这些工作无疑进一步提高了产品的设计和生产效率,同时也成为研究的热点问题。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容:

(1)抽象双油路喷嘴结构特征

(2)参数化几何模型的构建

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4. 研究创新点

燃油喷嘴位于扩压器后的高温气流区,为防止焦结,降低喷嘴寿命,需要对其进行热防护设计。在进行热防护设计时,一般采用CFD数值分析把计算域进行离散,生成合理的结构化网格。然而复杂外形的结构化网格的生成需要耗费大量人力物力资源,因此需要对结构化网格模型进行参数化设计,自动实现处理对已知拓扑结构上参数化的修改。这对复杂外形提供了一种快速简便的结构化网格方法,同时利用对网格进行参数化,解决了对不同尺寸、不同类型燃油喷嘴热防护设计的问题。

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