基于Simulink的高空台抽气机组数字仿真方法与流程

基于simulink的高空台抽气机组数字仿真方法
技术领域
1.本发明属于航空航天测试技术领域，尤其涉及一种基于simulink的高空台抽气机组数字仿真方法。

背景技术：

2.抽气机组是航空发动机高空模拟试验不可或缺的大型试验设备，也是实现航空发动机飞行轨迹模拟的重要保障手段。为实现抽气机组自动并网控制和高效运行，需要探索机组动态特性和研发先进控制技术，主要途径有开展机组调试试验或动态建模仿真分析等。由于抽气机组单台装机功率达数万千瓦以上，高空模拟试验中抽气机组设备投入数量多、功率大、试验运行能耗高，直接在抽气机组设备上进行设备动态特性摸索、先进控制方法研制和验证存在极大的安全隐患和试验风险，且调试成本高昂。因此，采用数字仿真技术进行机组动态建模作为一种有效的研发手段，可以大大缩短研发周期以及降低研发成本。总管调节阀尺寸大，为超大口径异形柱塞式调节阀
3.抽气总管调节阀为超大口径柱塞式调节阀，进口尺寸为dn3600mm,出口尺寸为dn2800,属于变口径的异形调节阀，国内尚无超大口径异形柱塞式调节阀流量特性研究先例。由于该调节阀结构特殊性导致其实际流量特性难以获取，本发明通过三维结构建模和流场仿真结合试验数据校准方式，确定了总管调节阀全工况的流量系数。
4.目前，我国高空台更是缺少一款仿真精度高、操作便捷、通用性强、人机交互友好的抽气机组动态仿真平台，为此急需研制一种基于simulink的高空台抽气机组动态仿真平台用于设备动态特性摸索和仿真分析。

技术实现要素：

5.本发明通过建立抽气机组及部件仿真模型，开发了一种基于simulink的高空台抽气机组数字仿真方法，实现抽气机组典型工况仿真，并输出仿真结果，替代直接在抽气机组实验测试方式通过仿真平台进行机组设备动态特性模型和控制技术研发，大幅提高了测试效率和缩短了研发周期，降低了新技术研发成本和调试风险。
6.提供一种基于simulink的高空台抽气机组数字仿真方法，适用于发动机高空试验的模拟，实验装置包括抽气总管、多台抽气机组、总管调节阀，每台抽气机组安装有防喘阀、入口阀和排空阀及冷却器、轴流压缩机，其方法包括：
7.至少获取轴流压缩机、冷却器、空气管网及机组进出口调节阀的工作参数，并通过三维结构建模和流场仿真计算获得其压力、温度、流量的特征函数，且结合质量、动量、能量守恒方程确定轴流抽气机组及各部件的动态仿真模型；
8.将入口阀开度、抽气总管压力、温度、机组入口压力、防喘阀的开度、冷却器出口压力、冷却器出口温度、冷却水温度和压力等初始条件，分别代入轴流抽气机组及各部件的动态仿真模型计算，以确定入口阀、防喘阀、抽气机组、排空阀流出的流量和冷却器出口温度和压力。
9.将计算所得的入口阀流量、防喘阀流量和抽气机组流量以及机组入口的温度、压力等初始参数，代入所述机组进口管网模型进行计算，确定对应时刻的轴流抽气机组进口实时压力。该模型压力计算时，如防喘阀均为关闭状态，轴流压缩机流量与入口阀的出口流量相等，如防喘阀均为打开状态，防喘阀出口流量与入口阀的出口流量的总和与轴流压缩机的流量相等；
10.将将上述模型计算所得的所述入口阀流量、防喘阀流量、轴流抽气机组流量及机组进口压力等仿真参数代入至所述轴流抽气机组及各部件的动态仿真模型进行反复迭代计算，以确定并实时更新防喘阀、入口阀、冷却器和轴流压缩机等模型在对应时刻的仿真参数，仿真参数包括阀门开度、温度、压力和流量；
11.将试验区域当地大气压值、温度、总管调节阀开度、和抽气总管初始压力等初始条件代入总管调节阀模型计算通过总管调节阀的流量；结合前述步骤计算所得的所有并网机组各入口阀流量，代入至抽气总管模型反复迭代计算抽气总管至入口阀进口对应时刻的的压力、温度；
12.通过人机交互界面确定或修改并网初始条件，总管调节阀和机组入口阀及防喘阀自动调节进行并网，所述轴流抽气机组及各部件、抽气总管等动态仿真模型实时计算并更新仿真参数，以实现多台抽气机组并网。
13.本发明的技术有益效果：
14.解决我国高空台无仿真精度高、操作便捷、通用性强、人机交互友好的抽气机组动态仿真平台的技术难题，通过对高空台抽气轴流压缩机组及关键设备建立仿真模型，并根据机组结构和连接关系搭建单台机组整体动态仿真模型；建立抽气总管模型；根据多台抽气机组并联工艺流程，并将多台机组模型和抽气总管模型连接，建立多提抽气机组并联动态仿真模型。进而设计动态仿真计算模型和人机交互界面，在simulink中集成抽气机组数字仿真平台，能对抽气机组的典型试验工况进行仿真，并输出仿真结果。以替代直接在抽气机组实验测试方式通过仿真平台进行机组设备动态特性模型和控制技术研发，大幅提高了测试效率和缩短了研发周期，降低了新技术研发成本和调试风险。
附图说明
15.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
16.图1高空台抽气机组结构图；
17.图2高空台多个抽气机组并联结构图；
18.图3高空台抽气机组动态仿真平台技术流程图；
19.图4人机交互界面起始界面。
具体实施方式
20.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
21.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开
一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
22.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
23.通过对高空台抽气轴流压缩机组及关键设备建立仿真模型，并根据机组结构和连接关系搭建单台机组整体动态仿真模型；建立抽气总管模型，根据多台抽气机组并联工艺流程，并将多台机组模型和抽气总管模型连接，建立多提抽气机组并联动态仿真模型。进而设计动态仿真计算模型和人机交互界面，在simulink中集成抽气机组数字仿真平台，能对抽气机组的典型试验工况进行仿真，并输出仿真结果。其适用于发动机高空试验的模拟，如图2所示，实验装置包括抽气总管、多台抽气机组、总管调节阀，如图1所示，每台抽气机组安装有防喘阀、入口阀和排空阀及冷却器、轴流压缩机，其方法包括：
24.如图3所示，s101:至少获取轴流压缩机、冷却器、空气管网及机组进出口调节阀的工作参数，并通过三维结构建模和流场仿真计算获得其压力、温度、流量的特征函数，且结合质量、动量、能量守恒方程确定轴流抽气机组及各部件的动态仿真模型,具体的：
25.质量、动量、能量守恒方程确定各部件的动态仿真模型的方法包括：
[0026][0027][0028][0029]
其中，α为流体导热系数，sh为流体的源项，φ为机械能由于粘性转换为的热能。
[0030]
轴流压缩机的控制方程为：
[0031][0032]
其中，p
in
，t
in
，m
in
为进口压力、温度和质量流量；ψ为压缩机的性能曲线；γ为轴流压缩机静叶角度；pp为等效容腔的平均压力；n为转速；lc为等效通流长度；a1为通流面积。目的是：考虑压缩器实际的工作工况的性能变化，对整体仿真的影响，更加符合实际工作环境下的动态变化。
[0033]
冷却器的控制方程为：
[0034][0035][0036]
其中，下标g,w分别代表壳侧、管侧工质的物性参数；qs为工质传递给金属壁面的热量，由换热面积aw，换热系数kw计算；q
shell
为外壳散热量，由外壳面积a
shell
，换热系数k
shell
计算。
[0037]
单台抽气机组进口管网的控制方程：
[0038][0039]
其中，v1为单台机组进口管网容积；vout1、hout1、mou1为机组入口阀通过的流速、焓值和质量流量，v2、h2、m2为防喘阀4-1通过的气体流速、焓值和质量流量，v3、h3、m3为防喘阀4-2通过的流速、焓值和质量流量，v4、h4、m4为流入抽气机组的流速、焓值和质量流量。
[0040]
入口阀、排空阀和防喘阀及总管调节阀的控制方程为：
[0041][0042]
其中，k为常数；d为阀门直径；cf为阀门流阻特性系数。
[0043]
抽气总管调节阀为超大口径柱塞式调节阀，进口尺寸为dn3600mm,出口尺寸为dn2800,属于变口径的异形调节阀，国内尚无超大口径异形柱塞式调节阀流量特性研究先例。由于该调节阀结构特殊导致其实际流量特性难以获取，本发明通过三维结构建模和流场仿真结合试验数据校准方式，确定总管调节阀全工况的流量系数。
[0044]
s102:将入口阀开度、抽气总管压力、温度、机组入口压力、防喘阀的开度、冷却器出口压力、冷却器出口温度、冷却水温度和压力等初始条件，分别代入轴流抽气机组及各部件的动态仿真模型计算，以确定入口阀、防喘阀、抽气机组、排空阀流出的流量和冷却器出口温度和压力。
[0045]
将计算所得的入口阀流量、防喘阀流量和抽气机组流量以及机组入口的温度、压力等初始参数，代入所述机组进口管网模型进行计算，确定对应时刻的轴流抽气机组进口实时压力。该模型压力计算时，如防喘阀均为关闭状态，轴流压缩机流量与入口阀的出口流量相等，如防喘阀均为打开状态，防喘阀出口流量与入口阀的出口流量的总和与轴流压缩机的流量相等；
[0046]
s103:将上述模型计算所得的所述入口阀流量、防喘阀流量、轴流抽气机组流量及机组进口压力等仿真参数代入至轴流抽气机组及各部件的动态仿真模型进行反复迭代计算，以确定并实时更新防喘阀、入口阀、冷却器和轴流压缩机等模型在对应时刻的仿真参数，仿真参数包括阀门开度、温度、压力和流量；
[0047]
s104:将试验区域当地的大气压值、温度、总管调节阀开度和抽气总管初始压力等初始条件代入总管调节阀模型计算通过总管调节阀的流量；结合前述步骤计算所得的所有并网机组各入口阀流量，代入至抽气总管容腔模型反复迭代计算抽气总管至入口阀进口的对应时刻的仿真参数，其包括压力、温度；
[0048]
s105:通过人机交互界面确定或修改并网初始条件，总管调节阀和机组入口阀及防喘阀自动调节进行并网，所述轴流抽气机组及各部件、抽气总管等动态仿真模型实时计算并更新仿真参数，以实现多台抽气机组并网，并网过程中，试验舱排出气体的min1为零，具体的：
[0049][0050]
其中，v为总管容积，v
in1
、h
in1
、m
in1
为试验舱排出气体的流速、焓值和质量流量，v
in2
、h
in2
、m
in2
为来自总管调节阀的气体流速、焓值和质量流量，vout1、h
out1
、m
ou1
为流入第一台机组或入口阀的气体流速、焓值和质量流量，来自总v
out2
、h
out2
、m
out2
为流入第二台机组的气体流速、焓值和质量流量，来自总v
outn
、h
outn
、m
outn
为流入第n台机组的气体流速、焓值和质量流量。
[0051]
作为本案所提供的具体实施方式，如图4所示，仿真方法在simulink软件环境下进行仿真，该数字仿真平台设计有人机交互显示界面，通过人机交互显示界面输入仿真的初始条件数据。该数字仿真平台包括动态仿真计算模块与人机交互界面。用户通过人机交互界面选择抽气机组仿真类型，输入仿真初始条件，包括仿真时间、求解器、大气压力、大气温度、压缩机前后容积初始压力或温度、冷却水流量、冷却水进口温度等边界条件；根据需要，用户可输入指令改变各阀门动作，通过人机交互界面监测、调用动态仿真中任意部件的压力、流量、温度等动态参数，同时可选择将动态仿真结果进行存储。
[0052]
动态仿真计算中，根据典型抽气机组结构特点在matlab/simulink中进行模块化建模，通过“多台抽气机组并联模型-单台抽气机组模型-轴流压缩机、冷却器等部件模型”三层逻辑关系完成动态仿真系统的搭建。动态仿真计算模块负责抽气机组动态仿真计算。基于压力、流量、温度的变化，通过底层轴流压缩机、冷却器、空气管网及阀门模型的动态仿真及参数传递，获得第二层单台抽气机组的进出口工质参数的动态变化，当多个抽气机组同时运行时，进而引起抽气总管的工质参数变化，完成抽气机组仿真。
[0053]
本发明基于simulink的高空台抽气机组数字仿真平台能够实现单台、多台抽气机组典型工况的动态仿真，仿真过程中用户可根据需要设置初始条件和阀门动作。仿真结果经与试验数据对比验证，仿真结果符合压缩机、冷却器、管网和阀门的动态特性，在多层传递过程中符合压力、流量、温度的动态响应特性，仿真结果可靠。该动态仿真平台具有较为友好的人机交互界面且操作方便快捷，参数设置界面易于操作，各截面仿真结果能快速调阅并保存。本发明能对抽气机组运行流程和典型工况进行动态仿真，为设备动态特性分析、先进控制策略研发提供仿真平台，可节约大量研发经费，大大缩短新技术研发周期，对高空台抽气机组试验流程优化具有重要指导意义。
[0054]
以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种基于simulink的高空台抽气机组数字仿真方法，适用于发动机高空试验的模拟，实验装置包括抽气总管、多台抽气机组、总管调节阀，每台抽气机组安装有防喘阀、入口阀和排空阀及冷却器、轴流压缩机，其特征在于，其方法包括：s101:至少获取轴流抽气机组、冷却器、空气管网及机组进出口调节阀的工作参数，并通过三维结构建模和流场仿真计算获得其压力、温度、流量的特征函数，且结合质量、动量、能量守恒方程确定轴流抽气机组及各部件的动态仿真模型；s102:将入口阀开度、抽气总管压力、温度、机组入口压力、防喘阀的开度、冷却器出口压力、冷却器出口温度、冷却水温度和压力的初始条件，分别代入轴流抽气机组及各部件的动态仿真模型计算，以确定入口阀、防喘阀、抽气机组、排空阀流出的流量和冷却器出口温度和压力；s103:将计算所得的入口阀流量、防喘阀流量和抽气机组流量以及机组入口的温度、压力等初始参数，代入所述机组进口管网模型进行计算，确定对应时刻的轴流抽气机组进口实时压力；该模型压力计算时，当防喘阀均为关闭状态，轴流压缩机流量与入口阀的出口流量相等，当防喘阀均为打开状态，防喘阀出口流量与入口阀的出口流量的总和与轴流压缩机的流量相等；s104:将模型计算所得的所述入口阀流量、防喘阀流量、轴流抽气机组流量及机组进口压力等仿真参数代入至所述轴流抽气机组及各部件的动态仿真模型进行反复迭代计算，以确定并实时更新防喘阀、入口阀、冷却器和轴流压缩机等模型在对应时刻的仿真参数，仿真参数至少包括阀门开度、温度、压力和流量；s105:至少将试验区域当地大气压值、温度、总管调节阀开度和抽气总管初始压力初始条件代入总管调节阀模型计算通过总管调节阀的流量；结合s104步骤计算所得的所有并网机组各入口阀流量，代入至抽气总管模型反复迭代计算抽气总管至入口阀进口对应时刻的压力、温度；s106:通过人机交互界面确定或修改并网初始条件，总管调节阀和机组入口阀及防喘阀自动调节进行并网，所述轴流抽气机组及各部件、抽气总管等动态仿真模型实时计算并更新仿真参数，以实现多台抽气机组并网。2.根据权利要求1所述的基于simulink的高空台抽气机组数字仿真方法，其特征在于，质量、动量、能量守恒方程确定各部件的动态仿真模型的方法包括：质量、动量、能量守恒方程确定各部件的动态仿真模型的方法包括：质量、动量、能量守恒方程确定各部件的动态仿真模型的方法包括：其中，α为流体导热系数，s
h
为流体的源项，φ为机械能由于粘性转换为的热能。3.根据权利要求2所述的基于simulink的高空台抽气机组数字仿真方法，其特征在于，轴流压缩机的控制方程为：
其中，p
in
，t
in
，m
in
为进口压力、温度和质量流量；ψ为压缩机的性能曲线；γ为轴流压缩机静叶角度；pp为等效容腔的平均压力；n为转速；lc为等效通流长度；a1为通流面积。4.根据权利要求3所述的基于simulink的高空台抽气机组数字仿真方法，其特征在于，冷却器的控制方程为，冷却器的控制方程为，其中，下标g,w分别代表壳侧、管侧工质的物性参数；qs为工质传递给金属壁面的热量，由换热面积a
w
，换热系数kw计算；q
shell
为外壳散热量，由外壳面积a
shell
，换热系数k
shell
计算。5.根据权利要求4所述的基于simulink的高空台抽气机组数字仿真平台，其特征在于，单台抽气机组进口管网的控制方程：其中，v1为单台机组进口管网容积；vout1、hout1、mou1为机组入口阀通过的流速、焓值和质量流量，v2、h2、m2为防喘阀4-1通过的气体流速、焓值和质量流量，v3、h3、m3为防喘阀4-2通过的流速、焓值和质量流量，v4、h4、m4为流入抽气机组的流速、焓值和质量流量。6.根据权利要求5所述的基于simulink的高空台抽气机组数字仿真方法，其特征在于，入口阀、排空阀和防喘阀及总管调节阀的控制方程为，其中，k为常数；d为阀门直径；c
f
为阀门流阻特性系数。抽气总管调节阀为超大口径柱塞式调节阀，进口尺寸为dn3600mm,出口尺寸为dn2800,为变口径的异形调节阀，通过三维结构建模和流场仿真结合试验数据校准方式，确定总管调节阀全工况的流量系数。7.根据权利要求6所述的基于simulink的高空台抽气机组数字仿真方法，其特征在于，该数字仿真平台仿真过程在计算机的simulilnk环境下仿真，数字仿真平台有人机交互显示界面，通过人机交互显示界面输入仿真的初始条件数据。8.根据权利要求1所述的基于simulink的高空台抽气机组数字仿真方法，其特征在于，所述总管调节阀出口至入口阀进口的抽气总管控制方程为：
其中，v为总管容积，v
in1
、h
in1
、m
in1
为试验舱排出气体的流速、焓值和质量流量，v
in2
、h
in2
、m
in2
为来自总管调节阀的气体流速、焓值和质量流量，vout1、h
out1
、m
ou1
为流入第一台机组或入口阀的气体流速、焓值和质量流量，来自总v
out2
、h
out2
、m
out2
为流入第二台机组的气体流速、焓值和质量流量，来自总v
outn
、h
outn
、m
outn
为流入第n台机组的气体流速、焓值和质量流量。

技术总结

本发明公开的基于Simulink的高空台抽气机组数字仿真方法，包括获取轴流抽气机组、冷却器、空气管网及机组进出口调节阀的工作参数，构建各部件的动态仿真模型；将仿真初始条件代入所述轴流抽气机组及各部件模型，确定并实时更新防喘阀、入口阀、冷却器和轴流压缩机在对应时刻的仿真参数，通过人机交互界面确定或修改并网条件，总管调节阀和机组入口阀及防喘阀自动调节进行并网，所述轴流抽气机组及各部件、抽气总管等动态仿真模型实时计算并更新仿真参数，以实现多台抽气机组并网。以实现多台抽气机组并网。以实现多台抽气机组并网。