數(shù)值仿真技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的戰(zhàn)略地位和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

針對(duì)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展需求，提出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)的定義和內(nèi)涵。從專業(yè)、學(xué)科、空間、時(shí)間、工具等方面給出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)的五個(gè)維度，從促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制模式轉(zhuǎn)變等方面分析了其戰(zhàn)略地位和作用。通過國外典型研究計(jì)劃和實(shí)例分析了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，指出了我國在該技術(shù)領(lǐng)域的主要差距。提出要充分認(rèn)識(shí)數(shù)值仿真技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的重要地位和作用，盡快建設(shè)和發(fā)展屬于我國自己的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真系統(tǒng)，建設(shè)面向全行業(yè)的“航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)庫”。

1 數(shù)值仿真技術(shù)的內(nèi)涵和需求

1.1 數(shù)值仿真技術(shù)的內(nèi)涵

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)是指按照先進(jìn)軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的需求，以先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)、飛/發(fā)一體化復(fù)雜系統(tǒng)和流-固-熱多學(xué)科綜合數(shù)值仿真為特點(diǎn)，以開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的仿真系統(tǒng)和專業(yè)仿真軟件為重點(diǎn)，結(jié)合商用仿真軟件的應(yīng)用校核和二次開發(fā)升級(jí)，以整機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)的全流程、全構(gòu)件、全參數(shù)精細(xì)準(zhǔn)確校核驗(yàn)證為基礎(chǔ)，依托高性能計(jì)算和虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)信息化技術(shù)，由仿真軟硬件支撐環(huán)境（包括高性能計(jì)算和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)）、航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真系統(tǒng)、仿真綜合驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)等部分組成的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真與驗(yàn)證支撐技術(shù)體系。總之，航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)的核心就是利用先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，基于多學(xué)科耦合對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)或部件進(jìn)行高精度高效率的數(shù)值模擬計(jì)算。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)是計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、大數(shù)據(jù)等最新科學(xué)研究和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的綜合應(yīng)用[1]。在現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制全過程中，計(jì)算機(jī)仿真模擬、理論計(jì)算分析和實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證，已發(fā)展成為三種不同的重要設(shè)計(jì)手段和工具，三者緊密相聯(lián)，互為補(bǔ)充，缺一不可，并貫徹于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、研制、使用、故檢、維修和退役的全壽命周期之中。

1.2 數(shù)值仿真技術(shù)的需求

1.2.1 促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制從過去的完全依賴實(shí)物試驗(yàn)向與虛擬試驗(yàn)并重的方向轉(zhuǎn)變

1） 方案論證階段：整機(jī)仿真技術(shù)，已經(jīng)成為開展發(fā)動(dòng)機(jī)方案篩選和優(yōu)化的主要手段之一。

2） 工程研制階段：與實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的零部件/系統(tǒng)性能仿真、多學(xué)科耦合仿真，以及整機(jī)總體性能/結(jié)構(gòu)匹配/方案優(yōu)化仿真，是完善設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化的主要方法。

3） 全壽命周期：對(duì)于某些難以進(jìn)行或不可能進(jìn)行的實(shí)物試驗(yàn)，或者現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)無法達(dá)到的試驗(yàn)，以及難以復(fù)現(xiàn)的故障[2] 或特殊工作狀態(tài)，采用以仿真為基礎(chǔ)的虛擬試驗(yàn)，也可以說是唯一可行的研究手段和方法。

1.2.2 實(shí)物試驗(yàn)與虛擬試驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，互為補(bǔ)充，不斷提高研發(fā)水平

1） 在許多實(shí)物試驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)數(shù)量少、某些部位測(cè)不到、流線和分離看不到、動(dòng)態(tài)變化分析不清等問題，在仿真虛擬試驗(yàn)中可以得到必要的彌補(bǔ)[3]。

2） 虛擬試驗(yàn)再好，但它也不能完全代替實(shí)物試驗(yàn)，特別是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[4]、安全性[5]、可靠性[6] 和壽命[7] 等，必須要通過實(shí)物試驗(yàn)考核，所以兩者具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。

3） 航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成十分復(fù)雜，內(nèi)部流-固-熱多學(xué)科高度耦合[8]，在湍流流動(dòng)、兩相燃燒、材料疲勞等機(jī)理尚未吃透情況下，無法實(shí)現(xiàn)有效的建模和仿真。

4） 實(shí)物試驗(yàn)可以為虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇_認(rèn)提供必要的大量數(shù)據(jù)和信息[9]，還可以發(fā)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)中不能涵蓋的機(jī)理問題。

5） 通過將實(shí)物試驗(yàn)與虛擬試驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互補(bǔ)、相互借鑒，螺旋式提升，可以不斷提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體研制水平，更快更好地實(shí)現(xiàn)研制目標(biāo)。

1.2.3 為建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主研發(fā)體系，要求仿真技術(shù)向全過程、全壽命周期覆蓋

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制是一項(xiàng)高度復(fù)雜的大系統(tǒng)工程，從管理科學(xué)角度而言，就包括項(xiàng)目管理和技術(shù)管理兩大過程，而其中項(xiàng)目管理過程又包括集成管理、計(jì)劃管理、資源管理、溝通管理、質(zhì)量管理、風(fēng)險(xiǎn)管理等；技術(shù)管理過程又包括技術(shù)規(guī)劃、技術(shù)控制、技術(shù)評(píng)估、技術(shù)決策等。從項(xiàng)目研制流程來看，以自主研發(fā)為基礎(chǔ)的正向研制流程包括方案論證、設(shè)計(jì)計(jì)算、工裝/制造/裝配、試驗(yàn)/試飛驗(yàn)證、使用維護(hù)保障等。從設(shè)計(jì)角度而言，又包括需求分解與定義、集成與驗(yàn)證等各階段反復(fù)的驗(yàn)證和確認(rèn)過程，即所謂雙“V”構(gòu)架（如圖1）。這其中仿真技術(shù)始終貫穿研制的各個(gè)階段和流程，已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主研發(fā)全過程、全周期不可或缺的必要手段。

總之，利用數(shù)值仿真技術(shù)，在新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)初期設(shè)計(jì)階段，對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證和優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)的“一次通過率”，為技術(shù)決策提供支持；在發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段，提供部件或整機(jī)性能參數(shù)分析，起到數(shù)值試車平臺(tái)作用；在型號(hào)定型階段，給故障診斷分析提供技術(shù)支持。數(shù)值仿真技術(shù)可以大幅度地縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期，提高設(shè)計(jì)水平，降低研制費(fèi)用，完善技術(shù)保障，推動(dòng)和促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的加速發(fā)展，從而不斷提高我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制基礎(chǔ)，縮短與美歐等航空大國之間的差距，為實(shí)現(xiàn)我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)從“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)”到“預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變奠定技術(shù)基礎(chǔ)，是建設(shè)我國先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)支撐體系不可或缺的重要環(huán)節(jié)和支持工具。

1.3 數(shù)值仿真技術(shù)的維度

從不同的視角出發(fā)，可將航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)所涵蓋的專業(yè)、學(xué)科、空間、時(shí)間、工具等方面，概括為以下五個(gè)維度：

1） 專業(yè)維度：航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)、部件和系統(tǒng)的主要專業(yè)，包括總體性能、總體結(jié)構(gòu)、風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、加力燃燒室、進(jìn)排氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。

2） 學(xué)科維度：力學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、信息學(xué)等主要基礎(chǔ)和工程技術(shù)學(xué)科，包括流體力學(xué)、燃燒學(xué)、傳熱學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)、可靠性分析、機(jī)械設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)、材料學(xué)、工藝制造、計(jì)算機(jī)、信息學(xué)及多學(xué)科交叉耦合等。

3） 空間維度：包括零維、一維、二維、準(zhǔn)三維和全三維等所有宏觀空間尺度。

4） 時(shí)間維度：包括定常、非定常、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)等。

5） 工具維度：主要包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computeraided design，CAD）、計(jì)算流體力學(xué)（computationalfluid dynamics，CFD）、計(jì)算燃燒學(xué)（computationalcombustion dynamics，CCD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（computer aided manufacturing， CAM） 、有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA）、虛擬現(xiàn)實(shí)（virtualreality， VR） 和高性能計(jì)算（high performancecomputing，HPC）等各類通用和專用軟件工具。

2 數(shù)值仿真技術(shù)的地位和作用

2.1 促進(jìn)設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變

隨著計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，國外航空強(qiáng)國（尤其是美國）引發(fā)了一場航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模式的“革命”，基本實(shí)現(xiàn)了從“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)”向“預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)”轉(zhuǎn)變（如圖2）。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是指通過大量反復(fù)的實(shí)物試驗(yàn)來確定方案，暴露問題，排除故障。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的研制周期一般需20~30 年，發(fā)動(dòng)機(jī)直到完成定型設(shè)計(jì)，需要制造50 臺(tái)左右的樣機(jī)。因此過去常說：“發(fā)動(dòng)機(jī)是試驗(yàn)出來的”。預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)是指發(fā)動(dòng)機(jī)的方案設(shè)計(jì)及修改主要在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，基于數(shù)學(xué)模型、數(shù)值計(jì)算和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)。此時(shí)僅需少量的試驗(yàn)工作來驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的設(shè)計(jì)結(jié)果，從而大大縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期，節(jié)省研制成本。因此現(xiàn)在也可以說：“發(fā)動(dòng)機(jī)是設(shè)計(jì)出來的”。

2.2 數(shù)值仿真的主要作用

1） 利用數(shù)值試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，暴露問題，篩選方案，提高設(shè)計(jì)的“一次通過率”。

2） 減少試驗(yàn)工作量，減少試驗(yàn)件的數(shù)量，縮短研制周期，降低研制成本。

3） 實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的“透明”化 ，大大提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度。采用數(shù)值仿真方法，可以獲得物理試驗(yàn)中無法測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部詳細(xì)信息和參數(shù)，也可對(duì)某些難以試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)。

4） 加快發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作從“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)”到“預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)”轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)從“測(cè)繪仿制”到“自主研制”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變。

國外的成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，廣泛采用以數(shù)值仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的先進(jìn)設(shè)計(jì)仿真工具和方法，可以大大減少實(shí)物物理試驗(yàn)的工作量和時(shí)數(shù)，從而既減少了研制時(shí)間和周期，也大大降低了研制費(fèi)用。據(jù)美國空軍研究機(jī)構(gòu)（AFRL/PRTA） 2002 年3 月發(fā)表的資料表明[10]，在第三代發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)改型和第四代發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，通過采用先進(jìn)設(shè)計(jì)仿真工具，可將發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中用于測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)數(shù)目從14 臺(tái)減到9 臺(tái)左右，而總的試驗(yàn)時(shí)數(shù)可以從10 000 多小時(shí)降低到7 000 多小時(shí)，減少大約30%（見表1）。而相應(yīng)的研制經(jīng)費(fèi)也可從15 億美元左右減少到7 億多美元，降低幅度達(dá)到50%（見表2），體現(xiàn)了仿真技術(shù)的顯著軍事和經(jīng)濟(jì)效益。正因如此，仿真技術(shù)被公認(rèn)為是現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，可以推動(dòng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，世界各國都已高度重視并大力發(fā)展。

3 仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀和典型實(shí)例

正是因?yàn)橹饾u認(rèn)識(shí)到數(shù)值仿真技術(shù)的巨大影響，自20 世紀(jì)80 年代后期以來，美國、英國、法國和俄羅斯等航空發(fā)達(dá)國家非常注重多學(xué)科數(shù)值仿真技術(shù)在研制過程中的重要作用，相繼制定并實(shí)施了相關(guān)計(jì)劃，開展發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真與驗(yàn)證技術(shù)研究。

3.1.1 美國

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)的眾多發(fā)展計(jì)劃中，迄今為止規(guī)模最大的是美國的推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)值仿真計(jì)劃（NPSS） [11-12]。該計(jì)劃隸屬于NASA 的高性能計(jì)算和通信計(jì)劃（HPCCP），由美國NASAGlenn 研究中心負(fù)責(zé)，聯(lián)合工業(yè)界、學(xué)校和其他政府機(jī)構(gòu)共同參與實(shí)施，其中僅在喬治亞理工學(xué)院（GIT）建立的一個(gè)仿真研究中心就擁有120 人的研究隊(duì)伍。在經(jīng)費(fèi)投入上，從20 世紀(jì)90 年代到2010 年的10 多年間，年均投入經(jīng)費(fèi)近4 000 萬美元，其中僅系統(tǒng)開發(fā)年均投入經(jīng)費(fèi)就高達(dá)420 萬美元。該計(jì)劃已取得重大進(jìn)展，在部件集成方面，已完成風(fēng)扇與短艙、風(fēng)扇與增壓級(jí)、混合器與噴管、三維低壓分系統(tǒng)及三維高壓壓氣機(jī)的集成數(shù)值仿真；

在整機(jī)仿真方面，基于GE90-94B 發(fā)動(dòng)機(jī)，于1997 年實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的零維/一維仿真， 1999年實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的軸對(duì)稱二維仿真，2001 年實(shí)現(xiàn)三維穩(wěn)態(tài)氣體動(dòng)力學(xué)仿真，2005 年實(shí)現(xiàn)全臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)三維穩(wěn)態(tài)多學(xué)科仿真，2010 年實(shí)現(xiàn)三維過渡態(tài)多學(xué)科仿真，并最終實(shí)現(xiàn)飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)綜合仿真（如圖3）。該系統(tǒng)于2000 年3 月發(fā)布了NPSS V1.0完全版，并2001 年升級(jí)到2.0 版[13-14]。

利用NPSS 及其相關(guān)技術(shù)成果，美國還開展了GE90 發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪部件設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化，包括渦輪總體性能優(yōu)化、流道形狀優(yōu)化、降低氣動(dòng)損失等。優(yōu)化效果表明：單機(jī)質(zhì)量減少約113.4 kg（250 磅） ，油耗下降1%。每個(gè)引擎節(jié)省近25 萬美元。整個(gè)工作在3 個(gè)月內(nèi)完成，大大縮短了設(shè)計(jì)周期[15]。

與此同時(shí)，美國還在燃燒數(shù)值仿真方面實(shí)施了專門的國家燃燒代碼（NCC） 計(jì)劃， 并在IHPTET、VAATE 等其他相關(guān)計(jì)劃中得到支持。眾所周知，要想真正實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)，數(shù)值仿真和設(shè)計(jì)工具的預(yù)估精度需要有大幅度的提高。表3 給出了要想實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)所需要的大致仿真精度，以及美國目前達(dá)到的水平，從中可看出，美國目前在仿真與驗(yàn)證技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的技術(shù)水平。

3.1.2 俄羅斯

為了抗衡美國在數(shù)值仿真軟件方面的發(fā)展，俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院（CIAM）啟動(dòng)了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算機(jī)試驗(yàn)技術(shù)（CT3）計(jì)劃，并開發(fā)了燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)（Computer Gas TurbineEngine Simulator，CGTES）。該系統(tǒng)是專為航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真研究開發(fā)的獨(dú)立計(jì)算體系[16]，包括一系列從一維到三維的高精度仿真軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)或部件的數(shù)值計(jì)算。該系統(tǒng)即可計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，也可對(duì)非定常過渡態(tài)進(jìn)行計(jì)算。目前CGTES 已經(jīng)成為俄羅斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能評(píng)估的第三方標(biāo)準(zhǔn)軟件，各設(shè)計(jì)局研制或改進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)必須要在該系統(tǒng)上進(jìn)行整機(jī)和部件的性能仿真和評(píng)估分析，并以此作為發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)評(píng)估和考核的重要依據(jù)和參考。

3.1.3 歐洲

歐洲主要是英國羅-羅公司、德國MTU 公司、法國SNECMA公司等航空動(dòng)力領(lǐng)域的行業(yè)巨頭，在歐盟、政府、軍方和商業(yè)投資者支持下開展數(shù)值仿真技術(shù)研究，在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

英國羅-羅公司針對(duì)民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)壓氣機(jī)部件，在壓氣機(jī)部件氣動(dòng)聲學(xué)一體化問題的定義、分析、優(yōu)化和驗(yàn)證等方面廣泛應(yīng)用數(shù)值仿真技術(shù)，避免許多可控和不可控噪聲因子的影響，提高了氣動(dòng)穩(wěn)定性，縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)省了研發(fā)費(fèi)用。

德國MTU 公司在民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低壓渦輪設(shè)計(jì)中[17]，以氣動(dòng)損失最小、滿足可靠性約束要求為目標(biāo)，采用渦輪葉片穩(wěn)健性形狀多學(xué)科優(yōu)化仿真技術(shù)，明確了制造公差、材料和性能參數(shù)等主要不確定性因素，優(yōu)化結(jié)果表明：氣動(dòng)損失降低7.4%，葉片可靠性大于95%。歐盟在2004—2007 年間實(shí)施了基于虛擬航空聯(lián)合制造的價(jià)值提升計(jì)劃（VIVACE 計(jì)劃），以多學(xué)科協(xié)同仿真優(yōu)化為主要技術(shù)手段，構(gòu)建了多學(xué)科協(xié)同仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)，應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等三個(gè)航空領(lǐng)域，其范圍涵蓋產(chǎn)品從可行性研究、概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的全壽命周期，其計(jì)劃目標(biāo)是使得新研發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)數(shù)減少30%，研制周期縮短30%，研制費(fèi)用降低30%[18]。

3.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀和差距

3.2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

“七五”之后，我國在部分學(xué)科領(lǐng)域陸續(xù)開發(fā)和引進(jìn)了一些數(shù)值分析軟件，開展對(duì)數(shù)值仿真技術(shù)的應(yīng)用研究。2004 年在原國防科工委領(lǐng)導(dǎo)和中國航空工業(yè)集團(tuán)有限公司支持下，在北京航空航天大學(xué)組建了面向航空動(dòng)力行業(yè)開放式的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)研究和發(fā)展專業(yè)機(jī)構(gòu)——航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真研究中心，其主要職能是：建立我國先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)數(shù)值仿真系統(tǒng)（CANSS） ；開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)研究，培養(yǎng)仿真技術(shù)科研人才；建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，促進(jìn)共享共用，減少重復(fù)研究；開展與國外的技術(shù)交流與合作；為行業(yè)內(nèi)外提供數(shù)值仿真技術(shù)的支持和服務(wù)。

仿真研究中心自2004 年成立以來，累計(jì)完成技改2 500 萬元，承擔(dān)原科工委、原總裝、工信部、科技部、兩機(jī)重大專項(xiàng)等多項(xiàng)重大科研項(xiàng)目。目前現(xiàn)有專職研究人員20 余人，其中院士1 人、高級(jí)職稱12 人、在讀博碩士研究生100 余人。10多年來共培養(yǎng)博士近100 人、碩士400 余人。2017 年9 月，中國航發(fā)研究院與北航能源與動(dòng)力工程學(xué)院簽署協(xié)議，以“共建共管”的模式，以仿真中心為基礎(chǔ)共同組建了“航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真聯(lián)合研究中心”，探索產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合的新模式，共同開展仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用工作。

仿真中心于2005 年引進(jìn)了當(dāng)時(shí)全行業(yè)第一套高性能集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，并完成了我國第一代和第二代航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真系統(tǒng)（CANSS V1.X 和V2.X 系統(tǒng)）的開發(fā)工作，形成了我國自己的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真系統(tǒng)（CANSS系統(tǒng)）第一版和第二版，提供有關(guān)研究院所使用，推進(jìn)了我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)向信息化、數(shù)字化方向發(fā)展。

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)整機(jī)零維/一維/二維氣動(dòng)熱力仿真、整機(jī)一維/部件三維氣動(dòng)熱力縮放仿真、部件三維非定常氣動(dòng)熱力仿真、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真和氣固多學(xué)科耦合仿真等，已經(jīng)在現(xiàn)役及在研的9 型整機(jī)、40 余套部件中得到了成功應(yīng)用，涉及10 余個(gè)型號(hào)和項(xiàng)目。其中整機(jī)二維計(jì)算值與設(shè)計(jì)值的相對(duì)誤差在0.73%～2.8% 之間，整機(jī)一維相對(duì)誤差在1.03%～3.08% 之間，渦輪部件二維和三維計(jì)算值與設(shè)計(jì)值的相對(duì)誤差不大于3%，壓縮部件二維和三維計(jì)算值與設(shè)計(jì)值的相對(duì)誤差不大于6%，基本滿足工程應(yīng)用的要求（見表4）。

3.2.2 主要差距

總的說來，目前我國的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)的研究仍處在較低水平，主要體現(xiàn)在：

1）在仿真技術(shù)和水平方面，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)仿真目前只能實(shí)現(xiàn)一維或二維穩(wěn)態(tài)及過渡態(tài)數(shù)值仿真；部件仿真還只能實(shí)現(xiàn)葉輪機(jī)等單獨(dú)部件的三維數(shù)值仿真；多學(xué)科耦合研究僅開展渦輪部件氣-固-熱耦合仿真技術(shù)的研究，技術(shù)水平尚不成熟，離工程應(yīng)用有較大差距；仿真系統(tǒng)僅僅完成了初步版本的開發(fā)及技術(shù)驗(yàn)證工作。更重要的是，目前的仿真計(jì)算精度離工程實(shí)際要求還有很大的差距，以最常見的氣動(dòng)熱力計(jì)算為例：目前能達(dá)到的精度為6%，國際先進(jìn)水平為3%，工程實(shí)用要求為1%。為了提高數(shù)值算法的精度和仿真系統(tǒng)的成熟度，需要持續(xù)不斷地進(jìn)行新技術(shù)的探索研究工作。

2）在科研能力方面，高性能計(jì)算已達(dá)到數(shù)千到萬核級(jí)、百萬億次/秒的水平。目前國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的高性能計(jì)算能力整體水平落后，高性能計(jì)算能力嚴(yán)重不足，不能滿足整機(jī)和部件多維過渡態(tài)以及多學(xué)科耦合仿真等工程應(yīng)用的需要。多通道立體三維視景生成設(shè)備（VR 系統(tǒng)）功能單一、擴(kuò)展性和兼容性差、速度慢、不能滿足非定常和實(shí)時(shí)虛擬仿真的需要?？傊?，目前行業(yè)內(nèi)的高性能計(jì)算設(shè)備在計(jì)算速度、存儲(chǔ)容量、虛擬環(huán)境等方面，都已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足整機(jī)和部件多維過渡態(tài)以及多學(xué)科耦合仿真等工程應(yīng)用的需要，急需進(jìn)行合理適當(dāng)?shù)臄U(kuò)充和完善。

3）在軟件工具方面，工程應(yīng)用主要還是依賴大型商業(yè)通用軟件和部分開源代碼軟件的二次開發(fā)，如Ansys、Siemens、Numeca、Openform、Santarn等，具有完全自主產(chǎn)權(quán)的專業(yè)仿真軟件種類不全、技術(shù)落后、功能不夠、驗(yàn)證不足、應(yīng)用不廣，航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真領(lǐng)域的專業(yè)軟件“卡脖子”問題仍十分突出，亟需加快研發(fā)攻關(guān)力度，以期盡早改善和升級(jí)。

4） 在人力資源上，由于以前長期對(duì)數(shù)值仿真技術(shù)的忽視，投入不足，人才培養(yǎng)和梯隊(duì)建設(shè)嚴(yán)重滯后，急需加強(qiáng)數(shù)值仿真技術(shù)研究人才隊(duì)伍的建設(shè)。

4 思考和建議

4.1 加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，加快發(fā)展

充分認(rèn)識(shí)數(shù)值仿真技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的重要地位和作用，要加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)、加大投入、加快發(fā)展、加強(qiáng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制從“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)”向“預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變，以信息化和數(shù)字化助推航空動(dòng)力產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展。

4.2 整合力量，協(xié)同創(chuàng)新

在仿真中心已有基礎(chǔ)上，利用聯(lián)合仿真中心與工業(yè)部門結(jié)合緊密的特點(diǎn)，整合行業(yè)內(nèi)外優(yōu)勢(shì)資源，組織“產(chǎn)學(xué)研用”相結(jié)合的高水平研發(fā)團(tuán)隊(duì)，針對(duì)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，集智攻關(guān)，在已有基礎(chǔ)上不斷發(fā)展完善，不失時(shí)機(jī)地持續(xù)開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真技術(shù)研究，盡快完善和發(fā)展自己的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真系統(tǒng)，形成我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、以整機(jī)仿真為主要特點(diǎn)的新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真平臺(tái)，并加強(qiáng)在行業(yè)內(nèi)的推廣應(yīng)用，不斷提高我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的設(shè)計(jì)研制水平。

4.3 維護(hù)使用，急需建庫

維修保障和外場使用是發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期的重要階段，其中的故障模式、分解排故、維修和飛行數(shù)據(jù)，對(duì)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)十分重要，應(yīng)單獨(dú)建立其數(shù)據(jù)庫和仿真系統(tǒng)，并與設(shè)計(jì)和研制階段的數(shù)據(jù)庫和仿真系統(tǒng)之間，建立必要的互聯(lián)互通，這對(duì)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、改善維修性，提高使用可靠性是十分必要的。

4.4 加強(qiáng)保障，助力提升

高水平的仿真應(yīng)用離不開高性能計(jì)算環(huán)境的支持，高精度的仿真能力必須有海量可信數(shù)據(jù)的支撐。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的高性能計(jì)算設(shè)備在計(jì)算速度和存儲(chǔ)能力方面都嚴(yán)重不足，難以滿足高保真數(shù)值仿真的工程應(yīng)用需求，急需進(jìn)行擴(kuò)充和完善。同時(shí)，在仿真軟件開發(fā)的過程中，也需要獲取海量、全面、精細(xì)、可信的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)仿真模型、方法等進(jìn)行不斷地改進(jìn)、修正，這是一個(gè)需要不斷迭代完善的過程，因此，在組織全行業(yè)開展仿真軟件校核和推廣應(yīng)用的同時(shí)，也應(yīng)大力抓緊針對(duì)軟件開發(fā)過程的試驗(yàn)驗(yàn)證條件建設(shè)，全面提高軟件的開發(fā)能力和水平，以盡早解決專業(yè)軟件“卡脖子”問題。

4.5 共享共用，為心而戰(zhàn)

建議在中國航發(fā)研究院建設(shè)面向全行業(yè)的“航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)庫”，實(shí)現(xiàn)資源和數(shù)據(jù)的共享和共用。同時(shí)，利用航發(fā)研究院的行業(yè)優(yōu)勢(shì)，面向工程應(yīng)用，結(jié)合在研型號(hào)和預(yù)研項(xiàng)目，落實(shí)仿真技術(shù)的工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化，在發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制和關(guān)鍵技術(shù)研究中，要盡快明確地將仿真數(shù)值模擬納入設(shè)計(jì)流程之中，促進(jìn)仿真技術(shù)水平的提高，為早日搞出強(qiáng)勁的“中國心”作出貢獻(xiàn)。

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