题目：二次空气系统瞬态算法研究及仿真平台构建

二次空气系统是航空发动机内部重要的构成部分，用来保证涡轮盘、涡轮叶片等热端部件的冷却，同时防止燃气倒灌、平衡轴向受力以保证发动机的平稳、有效运行。二次空气系统的流动及换热模拟是近些年航空发动机行业日益重视的领域，由于二次空气系统内部流动机理非常繁琐，保证冷却气流对热端元件的有效冷却是科研工作者亟待解决的课题。

对于二次空气系统非稳态计算方法的研究，国内外各研究单位仍处于起步阶段，包含Flowmaster在内的商业计算软件也都未能实现二次空气系统的非稳态计算。航空发动机特别是军用航空发动机往往工作在非稳态过程中，这些非稳态因素主要包括发动机的启动、转速和输出功率的变化、发动机飞行高度的变化，以及压气机出口压力和温度的变化等等。这些非稳态因素可能引起主燃气向冷却腔室的倒灌，同时由于涡轮叶片和涡轮盘等热元件的受热情况发生变化，篦齿封严结构的封严间隙就会受到影响，进而影响到封严效率，这时空气系统能否提供足够的冷却流量和压力同时为这些热端元件提供可靠的冷却，从而避免短时间的外部“扰动”造成二次空气系统的冷却性能降低甚至完全失效就变得尤为重要。综上所述，二次空气系统的非稳态计算方法研究对于二次空气系统性能的准确预测和评估是非常必要的。

本文对二次空气系统非稳态模拟方法、一些关键元部件的流动特性以及热、流体与结构网络一体化研究方法进行了探索验证，取得了以下成果：

   （1）基于流体网络法，集成大量的计算流体力学数值模拟数据，完成对若干典型的篦齿封严结构的计算模型的开发，使其能够满足对瞬态过程中各种复杂工况的准确模拟；

   （2）通过对旋转孔口开展大量的CFD仿真，对现有经验关联式进行修正，使其能够满足对瞬态过程中各种复杂工况的准确模拟；

   （3）采用特征线法，对旋转通道展开了一维非定常流动及换热的计算方法研究，通过将广义的定截面、有摩擦、考虑对外热交换的旋转通道可压缩非定常流动偏微分方程组转换为常微分方程组，进而获得旋转通道内部沿流动方向压力、流量、温度等系统参数的特征线数值解；

   （4）对盘腔结构的一维算法展开研究，提出适用于具有非标准结构、包含多个进出口的复杂盘腔的一维建模规则，并采用特征线法，实现盘腔结构的一维非定常流动与换热的计算，通过将广义的变截面、有摩擦、考虑对外热交换的盘腔可压缩非定常流动与换热的偏微分方程组转换为常微分方程组，进而获得盘腔内部沿流动方向压力、流量、温度等系统参数的特征线数值解；

   （5）研究二次空气系统的非定常计算方法。通过将整个二次空气系统划分两部分，特征“长”元件以及局部损失元件。特征线法用于单个特征“长”元件的求解，通过将连续方程、动量方程、能量方程构成的偏微分方程组转换为常微分方程组并联立求解，可以充分考虑内部流动与换热的相互影响；基于压力修正的流体网络法则用于由多个离散损失元件组成的局部流体网络，首先对动量方程组进行求解，进而对各自的能量方程进行求解。在本文中，如何在采用这两种方法进行求解的上述两类元件之间进行数据交互将被讨论。

   （6）基于上述工作内容，集成本文所开发的计算模型，以及Flowmaster、Fluent、Ansys等求解器，搭建二次空气系统仿真平台，基于平台实现二次空气系统流体网络、换热、结构的一体化仿真的功能。