摘要：航空发动机作为飞行器的动力核心，堪称工业领域中最严苛的物理实验室。以通用电气GE9X发动机为例——这是目前世界上最大的商用航空发动机，其直径达3.4米的巨大风扇能够产生61吨的惊人推力，相当于同时拉动300辆1.6吨级家用轿车的动力输出。

让仿真变成生产力

0.引言

航空发动机作为飞行器的动力核心，堪称工业领域中最严苛的物理实验室。以通用电气GE9X发动机为例——这是目前世界上最大的商用航空发动机，其直径达3.4米的巨大风扇能够产生61吨的惊人推力，相当于同时拉动300辆1.6吨级家用轿车的动力输出。

然而，这种强大的动力输出并非在理想环境中实现，而是需要在极端条件下保持稳定运行。例如，燃烧室出口的燃气温度高达1850K（约1577℃），远超镍基高温合金的熔点（1300-1400℃）。而涡轮前温度更是达到了1700℃的量级。为了应对如此严苛的工况，工程师们必须综合运用气膜冷却、热障涂层、单晶叶片等多重先进技术，以确保发动机在高温、高压、高转速的极限条件下依然能够可靠工作。正是在这样的背景下，数字优化技术的引入成为航空发动机制造领域的必然选择。

1.航空发动机制造：

数据毫厘之差，成败一线之间

1.1 燃烧室的精准控制

NASA GRC研究报告《Advanced Combustion Concepts for Gas Turbines》显示，航空煤油在燃烧室内驻留时间约2-5毫秒。而冷却孔位置偏差对壁温影响显著，实验显示1mm偏差可导致局部温度梯度变化达160℃/m（德国宇航中心DLR气膜冷却研究报告）。

1.2压气机的高压挑战

现有罗尔斯·罗伊斯UltraFan实验数据表明，发动机压气机设计压比达70:1，现代压气机叶片尖端马赫数可达1.2，接近声速，当叶片尖端速度超过声速时，激波会产生剧烈震动，就像战斗机突破音障时的“音爆”。

1.3涡轮叶片的强度考验

罗尔斯·罗伊斯的数据显示，直径30cm的涡轮叶片在15,000rpm时承受离心力约15吨。相当于一片手掌大小的涡轮叶片在高速旋转中承受的离心力相当于吊起4辆SUV。

1.4二次空气系统的精确分配

研究表明，如果引气流量出现2%的偏差，可能会导致涡轮前温度升高30℃。因此，为了确保发动机的性能和安全性，现代发动机对引气系统的流量控制精度提出了极高的要求，通常需要控制在小于±3%的范围内

1.5控制系统的快速响应

FADEC系统信号处理周期0.01-0.03秒，比人类眨眼快20倍；燃油阀门动态调节频率也达到了250次/秒，为发动机的高效运行提供了坚实保障。

1.6多物理场耦合的复杂影响

热胀冷缩、气流冲击、机械振动的相互影响，可能让某个零件的改进变成灾难。GE公司2018年确认LEAP发动机高压涡轮裂纹问题，损失超2亿美元。

2.Flownex软件助力

工程师应对航空发动机挑战

Flownex是一款通过ISO9001:2008质量认证的一维热力系统设计与仿真软件，能够适用于航空工业中的热力系统设计与仿真。Flownex包含航空工业热力系统的标准元件库（包括各类泵、多种阀门、基本管件、弯管、T型管、热交换器、储罐、换热元件、各种压气机和涡轮等），能够方便快速地搭建流动和换热仿真系统。Flownex提供了单相、两相流体以及混合流体的计算功能，能够进行蒸发和冷凝的计算；Flownex还提供了控制系统元件库，能够建立完整的流动及控制系统；运用Flownex提供的多参数设计和优化功能能够实现热力系统的参数优化。

Flownex在航空工业中的应用包括液压系统、空中加油系统、地面加油系统、环境控制系统、供水及卫生系统以及消防系统等。

Flownex在飞机中的应用

2.1液压系统

液压系统是机械传动系统的重要组成部分，其作用为通过改变压强增大作用力。一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）和液压油。液压系统可分为两类：液压传动系统和液压控制系统。液压传动系统以传递动力和运动为主要功能；液压控制系统则要使液压系统输出满足特定的性能要求（特别是动态性能）。飞行器中典型的液压系统应用包括主控制助推器、起落架收起和放下、飞机副翼、襟翼及缝翼的打开与收起、舱门或天窗的打开及关闭、发动机反推力装置等。

简易飞机液压系统图

Flownex提供了设计和优化功能，能够帮助设计整个液压系统的压力分布、优化换热器和管路的尺寸以及泵的合理选择。Flownex的瞬态计算功能能够用于预测瞬态过程以及突发情况下系统的压力变化。添加Flownex的控制控制元件，仿真完整的流动换热系统在指定控制策略下的流动过程。Flownex能够考虑流体粘性随温度的变化，也可以用于仿真飞行器在不同环境，如不同飞行高度和马赫数情况下系统的变化过程。

2.2燃油系统

飞机燃油系统又称外燃油系统，因为发动机上还有一套系统将燃油输送到燃烧室内去，后者称为内燃油系统。飞机的心脏——发动机依靠燃油燃烧产生热量作功，推动飞机飞行。燃油是飞机的能源，燃油系统是飞机能源的供应系统。供油系统包括燃油箱、增压泵、单向活门、油滤以及管路等。燃油箱具有足够的容量，保证发动机正常工作时的消耗。随着油箱内的油面下降，通气管将外界大气或者增压空气引入油箱，填补油面下降空出的空间。增压油泵向发动机供油，保证发动机的燃油泵进口具有足够的油压。单向活门只允许燃油向一个方向流动，这样可以防止各油箱内的燃油串流。燃油流过油气分离器，将供油时带进去的气体或从燃油内挥发出的气体分离出来，避免气体进入发动机的油泵内。飞机燃油系统内有时也装油滤，以清除脏物、杂质，保证燃油清洁。

典型的燃油系统图

Flownex能够用于设计、优化和仿真飞机的燃油系统，可以运用标准元件库，包括阀门、泵、管件以及容器等快速计算燃油的分布。Flownex也可以仿真和设计蒸汽系统和燃油热交换系统。Flownex的控制系统能够帮助设计和优化燃油分布，在飞行过程中或者空中加油时，保证飞机中心的稳定。

2.3环境控制系统

飞机环境控制系统是保证飞机座舱和设备舱内具有乘员和设备正常工作所需的适当环境条件的整套装置。飞机环境控制系统包括座舱供气和空气分配、座舱压力控制 、温度控制、湿度控制等。座舱供气系统是座舱增压和空气调节的气源，主要功用是使舱内气压高于大气环境气压并保持舱内空气清洁。空气分配系统使调温空气流入并分布于舱内，在舱内造成合适的温度和速度分布，以保证舱内的舒适环境条件。

飞机环控系统示意图

Flownex能够对飞机环控系统进行仿真与优化，包括从压缩机供气压缩机、经过压力调节阀、空气预冷、舱内的空调以及压力控制等整个系统级进行仿真，同时还可以仿真飞行高度和飞行马赫数变化时，环控系统中的各部件的变化过程。Flownex具有两相流和混合流体的计算功能，因此可以计算空气中水蒸气的蒸发和冷凝过程，计算得到环控系统中的湿度变化。

3.结论

航空发动机的进化史，本质上是人类用数字工具征服物理极限的历史。从需要200人年的传统研发，到用Flownex在电脑上完成80%的优化工作，仿真技术正在重塑行业规则。

当代码与物理定律深度交融时，每个技术人都在书写新的飞行传奇。

安世亚太具有业界完整的自主仿真技术体系，引领中国自主仿真技术发展。自主研发的PERA SIM通用仿真软件能够提供通用物理场（结构、热、流体、电磁、声学）及耦合场分析功能，以及能同时适用于结构、流体、电磁、声学等学科的通用前后处理器。

来源：夏琳科技讲堂