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| 基于类层次对象的发动机特性计算研究 | |
| 空军工程大学 肖秦汉 白振兴 | |
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摘要： 基于面向对象分析与设计的思想，将发动机特性计算的仿真模型概括为部件、工质流、流动 关系3个层次，并将这种层次关系表达为类属层次结构。通过一个涡扇发动机特性计算的实 例，验证了这种建模方式的可扩充能力和重用性。
关键词：发动机特性计算；仿真；面向对象；类层次对象
1 引言
为了在发动机的研制、使用、维护和改进改型等阶段准确了解发动机性能，必 须对发动 机性能有一个全面的、正确的评定。发动机性能评定的基本原理是获得燃气的热力性质（如 焓函数、熵函数）与燃气状态参数（燃气温度、油气比、压比等）之间的确定关系和发动机 各部件之间的物理联系，在发动机各部件特性已知的基础上，寻找发动机各部件的匹配工作 点，进行发动机特性计算，从而获得发动机的性能参数，主要包括以下几个方面的任务：
（1）计算发动机全飞行包线范围内的飞行特性（包括全加力状态、部分加力和小 加力状态、最大状态、节流状态）。
（2）计算发动机的温度修正系数、湿度修正系数和燃油热值修正系数。
（3）计算发动机地面台架节流特性。
（4）计算任意状态下发动机性能。
获得发动机性能参数的方法有多种途径，在实际应用中，发动机特性经常采用仿真计算方 法获得。这种计算方法，是在已知各个主要部件特性的基础上进行的，其流路计算方法通常 采用顺算法［1］，工质流从发动机进口流入，顺次通过各部件，最终从出口流出 。在此过程中，发动机各部件的属性和工质流的属性都在不断变化，这个变化关系应符合一 定条件或某仿真算法。
目前采用的发动机性能评定的建模仿真，通常是面向过程的，根 据具体计算任务情况，分 别编写各个部件和工质流的计算子程序，再依据一定的计算任务要求编制主程序进行计算。 这种方法可读性差，不能方便地重用已有的源代码，一旦计算任务改变，不利于快速建立 可通用的仿真模型。针对这个问题，本文从部件、工质流、仿真算法3者的自身属性以及相 互关系出发，对发动机性能评定的问题进行了面向对象的分析与设计，得到了发动机特性计 算的仿真对象模型。
2 特性计算仿真的类属层次结构
为概括各种特性计算仿真的共性，将仿真中的各种计算任务概括为既相互联系又有明确分 工的3个层次：部件计算、工质流计算和流动关系计算［2,3］。其中，部件计算以单 个部件 的特性为依据，根据该部件的已知参数求解其他未知参数，如根据压气机的转速、压比求解 流量和效率等。部件计算仅局限于单个部件内部而不涉及部件间的相互影响，因此可以将各 个部件的特性很好地封装起来。工质流计算定义工质流的属性诸如油气比、绝热指数、焓值 、熵值等，沿流路通过各个部件时的变化情况，仅考虑工质流而不考虑部件等其他因素，所 以也可以将工质流的属性进行封装。流动关系计算将部件计算、工质流计算联系起来，部件 计算通过一定的流动关系控制工质流计算，同时工质流计算的结果也作为部件计算的必要参 数传递给部件，实际仿真计算时这3个层次的计算任务是交替进行的。因此流动关系计算也 可以认为是一种仿真算法，基于这种算法，部件属性和工质流属性不断联系和变化。
根据特性计算仿真的层次结构，可以概括出一个仿真类属框架［4］。首先 为这3个层次的计算抽象出概括的基类，然后从这些抽象基类出发，根据不同的情况进行继 承和扩展得到不同抽象层次的子类，例如：由部件基类CPart派生出燃烧室类CBur，转子类C Rotor，管道类CDuct。燃烧室类又可以派生主燃烧室类和加力燃烧室类；转子类派生涡轮类 CTurb和压气机类CCom；压气机类派生高压压气机类、风扇类，而涡轮类派生出高压涡轮类 和低压涡轮类；管道类派生喷管类CNoz，混合器类CMix，进气道类CInlet等。由工质流基类 CFluid派生出空气类CAir和燃气类CGas。由流动关系基类CFlow派生出顺算法类CSeq，逆算 法类CInv，容积效应法类CVol；顺算法类又可以派生匹配工作点法类CMPoints等。部件类和 工质流类通过流动关系类自身的方法联系起来。仿真的类属层次结构如图1所示，“目”字 形方框代表类，包括类名、属性和方法，纵向线段表示类的继承和派生关系，横向线段代表 类之间的联系。 （图片） （图片） （图片） | |
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