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航空发动机及燃机行业解决方案




Ansys在航发/燃机行业应用及相关模块


风扇、压气机高保真仿真技术


压气机叶片颤振分析
‐ 压气机/风扇叶片发生颤振容易导致叶片发生断裂失效
‐ 能否准确预测颤振决定了叶片稳定工况范围的大小
‐ 叶片颤振瞬态分析计算成本极高,收敛困难
‐ 基于Mechanical计算自然振动频率,采用CFX进行单向流固耦合计算;基于CFX独有的瞬态叶栅TBR模型,设定叶片节径数和振动频率,进行叶片瞬态单向流固耦合颤振分析;依据阻尼系数大小判断是否会发生颤振
‐ 准确预测压气机/风扇部件是否会发生颤振,确定稳定工作范围
‐ 大幅提升颤振分析的效率,缩减产品研发时间
‐ 协助设计人员减轻叶片重量,提升发动机工作效率



单向流固耦合仿真



‐ 通过对流固耦合进行解耦,可在Mechanical中单独进行自然频率仿真分析后导入CFX进行颤振分析,极大提升了仿真效率和计算稳定性
基于最新谐波分析法进行瞬态气动仿真
‐ 新版CFX对谐波分析法计算效率进行了大幅提升,大大提升力计算效率和稳定性,可用近似于稳态计算的成本进行瞬态叶片气动仿真分析
基于Workbench集成操作流程
‐ 基于Workbench的集成操作流程十分清晰,简单易用,十分方便工程师学习和复用该分析流程




压气机叶片受迫振动分析


‐ 压气机/风扇叶片发生受迫振动容易导致叶片发生断裂失效
‐ 能否准确预测受迫振动决定了叶片稳定工况范围的大小
‐ 叶片流固耦合瞬态分析计算成本极高,收敛困难
‐ 基于CFX独有的瞬态叶栅TBR模型,进行叶片瞬态单向流固耦合仿真分析;输出叶片瞬态交变气动载荷作为Mechanical受迫振动分析的边界条件,进行振动和疲劳分析
‐ 准确预测压气机/风扇部件是否会发生受迫振动,确定稳定工作范围
‐ 大幅提升受迫振动分析的效率,缩减产品研发时间
‐ 协助设计人员减轻叶片重量,提升发动机工作效率






单向流固耦合仿真
‐ 通过对流固耦合进行解耦,可首先在CFX进行单向流固耦合瞬态气动力分析,极大提升了仿真效率和计算稳定性
可对叶片进行疲劳寿命分析
‐ 基于CFX提供的交变气动载荷和阻尼系数,Mechanical可进行叶片的受迫振动分析和疲劳分析,并判断叶片在受迫振动条件下的疲劳寿命
基于Workbench集成操作流程
‐ 基于Workbench的集成操作流程十分清晰,简单易用,十分方便工程师学习和复用该分析流程



叶片包容性分析

- 如何满足风扇叶片脱落后的机匣包容性适航要求是当今各大涡扇发动机制造商关键设计技术之一。
- FAA33部和CAAC33部均对发动机包容性提出了明确要求,所有的民用航空发动机在取得适航许可证之前,都必须通过适航包容性试验。
- FBO工况是涉及大变形、材料非线性以及接触非线性的强非线性瞬态动力学问题,给有限元仿真带来了极大的挑战。
‐ Ansys LS-DYNA能够提供丰富的本构模型用于FBO仿真,同时考虑应变率的对高速碰撞的影响,并行计算效率极高。


飞行结冰仿真

‐ 积冰可能堵塞发动机进气道、内涵道,增加压力损失;如果吸入内部,会破坏发动机部件,导致推力损失、熄火和瞬态性能的下降;
‐ Ansys(Fensap & Fluent Icing)结冰将结冰涉及的流场气动、水撞击、结冰、除冰热传导载荷计算通过图形化界面无缝地连接到一起,整个过程使用一套网格,且没有任何经验关联式的介入,保证了求解的精度。
‐ 采用Ansys结冰分析,可以大幅提升公司结冰仿真模拟的能力,减少费用高昂的冰风洞试验次数,缩短研制周期,从而增加公司在同行业中的竞争力。
航空发动机飞行结冰
输入条件
- 喷气发动机、飞行条件(p=64463.341Pa, v=110m/s, T=256K)、结冰条件(MVD=20, LWC=1g/m3)
仿真流程图
仿真输出
- 喷气发动机在不同飞行结冰条件下的水收集系数分布、空间液态水含量分布、结冰增长率和积冰冰形等。


燃烧室高保真仿真技术




涡轮高保真仿真技术


‐ 经验表明,现有网格前处理工具对气冷涡轮叶片、燃烧室等复杂零部件网格前处理效率不佳,网格质量较差,严重影响产品仿真分析的效率和质量
‐ 基于最新Fluent Watertight Workflow网格前处理自动流程,可一站式完成几何导入、流体域抽取、共享拓扑、网格加密、边界条件类型设置等前处理操作;最新Poly-Hexcore多面体网格可对复杂几何生成高质量网格,大大优于一般四面体网格
‐ 大幅提升气冷涡轮、燃烧室、二次空气系统仿真前处理效率
‐ 有效提升复杂部件网格质量,提升仿真精度,更加准确预测涡轮冷却性能、燃烧室流场和二次空气流动状况,有效指导设计改进
‐ 加速产品的研发流程,助力工程师的创新设计





CFX: Blade Film Cooling气膜冷却模型

‐ 基于Injection region功能开发而来
‐ Injection射流孔: 简单圆孔\椭圆孔\扇形孔…
‐ 在叶轮机械仿真模型下都可使用(Steady, TBR,Transient)
‐ Injection通过profile file文件指定


CFX: Blade Film Cooling气膜冷却模型


成功案例:GE某型号高效率航空发动机
‐ 2级高压涡轮
‐ 公开发表案例编号为NASA_CR 168289
采用2种方法模拟进口导叶表面的冷却气流的温度分布




Mechanical- 叶片裂纹扩展分析



面临挑战
‐ 航空发动机由于材料缺陷,加工缺陷或疲劳引起的裂纹导致结构的破坏,其直接原因是由于发动机正常运行时,部件裂纹、缺陷尺寸逐渐扩展,直至剩余强度小于工作应力,从而发生破坏。安全寿命设计的假设条件是认为构件材料是均匀连续的,不存在初始缺陷,片面追求高的裂纹萌生寿命,忽视了裂纹迅速扩展的危险。此外大量的试验和理论已经证明,许多含裂纹的构件仍然能在规定载荷下继续工作到下次检修,为了确保构件安全可靠,又能充分利用其固有的实际寿命,因而引入损伤容限设计准则。
‐ 以断裂力学为基础,将结构的微观缺陷用初始缺陷尺寸来描述,来研究裂纹扩展,来建立起结构损伤容限设计。


新工艺设计(增材)


面临挑战
‐ 增材制造技术在国外航空发动机上应用广泛。GE9X, LEAP都大量采用增材制造。GE9X上有七大部件(燃油喷嘴、T25传感器外壳、热交换器 、粒子分离器、5级低压涡轮(LPT)叶片、6级涡轮(LPT)叶片 、燃烧室混合器)、304个零件采用了3D打印,并经多种材料和打印工艺投入使用。
‐ 然而,增材制造新材料的成本相对高,需要想办法降低材料成本。
‐ 基于分层制造的增材制造技术,大部件打印时间长,需要改进优化增材制造的方法,或者与传统铸造技术等方式结合,提高零件制造的速度,降低成本




Fluent整机仿真
航发/燃机整机仿真方法有1维、准3维和3维:
‐ 1维仿真模型完全依靠经验关系式,无法反映任何真实流动细节,精度较低;
‐ 准3维仿真能够详细模拟整机子午面的流动情况,在设计中应用广泛,但仍无法反映三维流动细节;
目前航发/燃机各部件均已建立全三维设计体系,但由于缺乏适合的工具和方法,发动机整机三维数值模拟还未展开,无法反应各三维部件在整机情况。







我司提供免费询价服务权益,报价前需提供如下材料:

  1. 3D模型文件(step格式即可),或者要模拟的部件图片,如涉及保密项,我司可以先签订保密协议;

  2.  模拟工况,要模拟的条件说明,输入条件,包含边界条件、仿真要求、交付物输出形式、以及实现效果等;

  3. 软件要求,工期,技术说明等;


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