CN100337238C - 基于网格的喷气发动机分布仿真*** - Google Patents

基于网格的喷气发动机分布仿真*** Download PDF

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Abstract

一种计算机仿真领域的基于网格的喷气发动机分布仿真***，其中，***级架构位于整个***顶层，其部件模型或接口与发动机部件模型架构中部件模型一一对应，在整个***上负责模型间的数据传输，并控制模型间的仿真顺序；发动机部件模型架构建立在仿真服务实现架构上，对发动机部件模型及其服务按照网格计算要求进行封装，然后通过标准网格服务接口与仿真服务实现架构提供的各项网络基础功能实现联结；仿真服务实现架构把计算基础设施、仿真资源组装为统一标准的网格计算基础设施，向下用来屏蔽网络基础硬、软件资源，向上为发动机部件模型架构提供标准网络设施接口。本发明具有模块化、层次化、规范化和参数化的特点，仿真模型间可互操作和重用。

Description

基于网格的喷气发动机分布仿真***
技术领域
本发明涉及一种计算机仿真领域的***，特别是涉及一种基于网格的喷气发动机分布仿真***。
背景技术
在喷气发动机设计领域，计算机仿真可以发挥投资少见效快的特点，以较少的投资快速地获得几种不同的设计方案。它的设计往往是非线性的和互相依赖的。这就要求在建模仿真过程中对发动机全面考虑，尽可能地建立完整、完善的模型。现有技术中已经有面向对象的计算机分布仿真框架。
经对现有技术的文献检索发现，John A.Reed等人在International Gas Turbine& Aeroengine Congress & Exhibition，Indianapolis，Indiana，June 7～10，1999(1999年美国印第安纳召开的国际燃气轮机和航空发动机大会)上发表了文章“Computational simulation of gas turbines”(燃气轮机计算机仿真)。该文中提及了基于JAVA的面向对象的航空推进******框架-Onyx，该***基于层次化分解和标准化界面接口，提供了一套能够仿真燃气轮机***、子***和部件的仿真组件。在此基础上，可以通过编程或图形建模的形式建立新的更复杂的仿真模型。然而在该***中为了解决集成问题，参与发动机设计的所有人员，工具(软件\硬件)都以top-down的设计方式预先明确的作为全局变量固定下来，而整个***的设计者不是航空发动机方面的专家。如果在设计过程中方案发生变化，以这种方式设计的***将不能很快做出反应。更糟的是由于整个体系结构以及软硬件间的相互关系都被明确固定，考虑到更改***的复杂性和开销，使得对其的任何改变都在实际上变的不可能。当这种***应用到需要经常发生变化的航空发动机设计中时，技术人员就会面临到以上困难。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种基于网格的喷气发动机分布仿真***，使其具有模块化、层次化、规范化和参数化以及仿真模型间互操作性和重用性的特点。在该***中，子模型具有自治性，子模型的设计者可以根据自己的需要选择所使用的工具，定义变量以及他们与其他设计者之间的关系；可以应用该***提供的可扩展设计和仿真环境，灵活地组建新的喷气发动机模型进行仿真，并得到结果。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：仿真开发环境模块和仿真运行环境模块。
仿真开发环境模块支持复杂***在构造阶段的各类活动，开发阶段生成各类数据信息模型，它可以分为部件建模***、***级建模***两个子***，所述的部件建模***，在发动机不同设计阶段，由于发动机部件的差异，所要求仿真精度的不同，因此不可能为所有部件在所有设计阶段提供同一标准的建模工具，部件建模***允许不同的设计人员应用各自专业建模工具建立自己的模型，并将其按照网格服务以及本***的要求封装，为***级建模提供统一标准的界面接口；所述的***级建模***，在发动机***级建模阶段，所有的部件都已经被包装成标准的仿真服务，并且统一到***级模型框架下，因此就可能为其提供同一标准的建模手段。
仿真运行环境模块主要完成各个仿真应用***在运行阶段的仿真运行管理、仿真时间管理和仿真数据管理，它包括三个大的架构：***级架构、发动机部件模型架构和仿真服务实现架构，具体描述如下：
所述的***级架构，位于整个***的顶层，通过Modelica标准联结接口，***级架构中的部件模型(或接口)与发动机部件模型架构中的部件模型一一对应。***级架构可以虚拟建立、装配和控制发动机仿真的过程，在整个***上负责模型间的数据传输，并控制模型间的仿真顺序，而无需对具体的部件模型或子***求解进行管理。
***级架构能够以相应的“虚”模型(即图标)代替在发动机部件模型架构中建立的发动机部件的实际模型；具备基本的图形化界面功能：窗口管理，拖放、移动“虚”模型图标等。这些功能的实现可以降低***开发者编程负担。
所述的发动机部件模型架构，直接建立在仿真服务实现架构上。它应用JAVA语言对发动机部件模型及其服务，按照网格计算的要求进行封装。然后通过标准的网格服务接口与仿真服务实现架构提供的各项网络基础功能实现联结。
其中，喷气发动机模型库是发动机部件模型架构的重要组成部分，它依据模块化分解原理和面向对象仿真方法，建立***级喷气发动架构和发动机部件模型库，根据发动机实际结构和工作原理，将其划分为不同的部件模块模型，将这些模块按一定的规则，组织成具有相对独立性的部件模型库。
所述的仿真服务实现架构，是基于VEGA软件包开发的，是整个分布仿真***的基础。它通过把计算基础设施、各种仿真资源等组装为统一标准的网格计算基础设施，向下可以用来屏蔽网络基础硬、软件资源，向上可以为发动机部件模型架构提供标准网络设施接口。
在按照以上所述的结构和原则建立起来的分布仿真环境中，进行分布仿真可以分为三个部分：总模型建立、子模型设计和模型求解。模型仿真求解时，由***级架构客户端根据需要，从模型库中选取相应的子模型以及子模型求解的特定求解器，建立临时的分布仿真模型***。当仿真结束后，该***自动解散。每个具体的子仿真服务可以再次组合起来进行下一个模型的构建和仿真。
本发明三层体系结构突破以往面向计算硬件资源建立的分布仿真层次结构，增加***的灵活性，避免建立新模型时受到固有的硬件体系结构的限制；层次化和模块化的结构，减小了被设计***的复杂性。应用网格计算技术把分布在不同的地理位置上的发动机设计人员，计算机软/硬件资源综合到一起。屏蔽计算资源的位置，软件平台以及计算机语言等等这些相对底层的信息，为相关人员提供了一个统一的开发环境。本发明把发动机***级模型与部件模型，乃至元件级模型集成为一个整体研究，可以对发动机内部更加复杂的过程进行仿真分析。使发动机仿真在不同层次上更接近工程实际。实现现有资源的有效共享，增强协同设计和分布仿真的能力。
附图说明
图1本发明结构框图
图2本发明体系架构结构图
图3本发明喷气发动机模型库结构图
图4发动机***模型的建立流程图
图5发动机分布仿真调用流程
具体实施方式
本发明建立的喷气发动机分布仿真***，主要用来描述和规范***在分布、联网的情况下，***各个组成部分及其相互关系。
如图1所示，本发明包括仿真开发环境模块和仿真运行环境模块，仿真开发环境模块支持复杂***在构造阶段的各类活动，开发阶段生成各类数据信息模型；仿真运行环境模块主要完成各个仿真应用***在运行阶段的仿真运行管理、仿真时间管理和仿真数据管理。
仿真开发环境模块，分为两个子***：(1)部件建模***，在发动机不同设计阶段，由于发动机部件的差异，所要求仿真精度的不同。因此不可能为所有部件在所有设计阶段提供同一标准的建模工具，部件建模***允许不同的设计人员应用各自专业建模工具建立自己的模型，并将其按照网格服务以及本***的要求封装，为***级建模提供统一标准的界面接口；(2)***级建模***，在发动机***级建模阶段，所有的部件都已经被包装成标准的仿真服务，并且统一到***级模型框架下，因此就可能为其提供同一标准的建模手段。这两个子***还分别包含有模型检验子***、仿真控制子***。由于不同模型可能由不同的软件或程序建立，因此模型检验子***可以分别对部件级的模型进行检验和修正。不同部件模型的仿真分析，需要不同的策略和数学工具，因此也不可能为所有的部件模型提供统一的求解方法；而在汇总了所有部件模型的***级模型中，虽然不需单独管理每一个具体的子模型，但需要控制整个仿真流程和数据传递，因此仿真控制子***在***级模型中提供一个单一的仿真控制策略。
如图2所示，仿真运行环境模块可以分为三个相对独立的基本架构：***级架构、发动机部件模型架构和仿真服务实现架构。这三者之间呈现的是一种层次化的关系。***级架构位于整个***的顶层，通过Modelica标准联结接口，与发动机部件模型架构中的部件模型一一对应。***级架构则在整个***上负责模型间的数据传输，并控制模型间的仿真顺序，而无需对具体的部件模型或子***求解进行管理。发动机部件模型架构直接建立在仿真服务实现架构上。它通过标准网格服务接口与仿真服务实现架构提供的各项网络基础功能实现联结。它与***级架构一起构成了分布仿真环境的主体，也是航空发动机仿真的核心基础。仿真服务实现架构是整个分布仿真***的基础。它通过把计算基础设施、各种仿真资源等组装为统一标准的网格计算基础设施，向下可以用来屏蔽网络基础硬、软件资源，向上可以为发动机部件模型架构提供标准网络设施接口。下面详细介绍各层结构。
(1)***级架构：包含了发动机不同物理部件相应软件模型的集合。它提供了虚拟化的发动机，图形化用户界面以及对仿真过程控制策略。用户以图形化方式浏览模型组件，对模型进行可视化的查询与组装，并对组装好了的模型在***级仿真环境中进行验证。
(2)发动机部件模型架构：包括了所建立的航空燃气轮机中的部件数值和编程模型。这些模型可能是CFD模型，FEA模型或者是一套描述发动机部件运行的数学公式。在发动机部件模型架构中设计的发动机部件模型，是按照喷气发动机装配结构分解的相对独立的相互作用的部件对象，而不是只实现一定算法功能的纯数学计算模块。由这些模型组建成一个模块化的部件模型库。
部件模型库是以能反应实际发动机物理结构的层次结构组织的。根据仿真目的、可用的计算资源、要求的精度等等从库中选择适当的模型。例如在发动机最初设计阶段，仿真通常使用相对简单的零维部件模型(即一些基本数学公式)来进行性能预测。而在其后的详细设计阶段，则会需要更高阶的模型。例如有的分析需要用到涉及到三维CFD模型和FEA模型。从装配角度，可把发动机分解成：进气道、风扇、压气机、燃烧室、外涵道、涡轮、尾喷管和轴等部件。依据喷气发动机的实际物理组成及各部件的物理工作过程，进行合理简化后，建立了进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等部件或子***模型。应用Modelica语言面向对象的强大功能实现各部件层次化的程序模块。在此基础上，结合仿真软件Dymola，最终建立了一个喷气发动机模块化仿真模型库，其基本结构见图3。
部件模型库的基本组成可以大体分为以下几个部分：①类：模型库中最基本的组件。定义了发动机部件中的一些最基本的参数和变量。除非被继承或调用，否则不能完成任何计算；②函数：也是模型库中最基本的组件之一。它与类的主要区别是，它仅完成仿真中的数学计算，不具有任何物理意义；③基本模块：由各种类和函数组成，具有一定的实际物理意义，能完成一定的仿真计算，是组成模型的基本组件。它一般包含在部件模型中。也可单独存在，如接口模块；④部件模型：几乎每一个部件模型都与物理意义上的发动机部件相对应。由模块和类共同组成。此外，模型库中还有一些辅助组件，如用来建立压气机或涡轮特性图的record等等。
(3)仿真服务实现架构：位于整个***的底层。通过建立一个“虚拟组织”把分布的发动机设计人员，计算机软/硬件，甚至试验设备等综合到一起。仿真服务实现架构屏蔽了分布仿真中的计算基础设施，如数据资源、存储资源等，各种仿真资源，如模型资源包括实体***模型、人的行为模型、环境模型等，和工具资源如建模工具、可视化工具等。
至此基本建立了一个面向喷气发动机对象的三层结构的分布仿真***环境框架。该分布仿真环境***为航空发动机研发人员在广域网范围内提供了一个虚拟组织。可以较容易的组合现有的资源以满足分布仿真的要求，并且使得原有开发成果和商业化软件也得到了充分的利用。
如图4所示，是本发明建立喷气发动机模型的流程图。首先，依照模块化建模的原理及对象的实际物理过程，依据***级需求→子***级需要→部件级需要的顺序，对发动机***进行模块化分解，分解成由部件组合的***；根据子***或部件的典型特征和相应的物理定律，建立数学模型，使用Modelica语言，在已有的模块基础上继承或者编制新的程序或封装接口；有了部件模块，按照部件模块库→子***模块库→***模块库的顺序，组建完整的模块库；有了模块库，就可以利用部件模块组合成所需要研究的对象——喷气发动机模型。模块库中的模块可以根据需要进行定制，而且在通常情况下只需要了解模块的接口就可以使用模块，不需要了解模块的实现。接下来就是要利用已有的模块，组建整个对象的模型，进行仿真计算。根据所需要研究的发动机的不同，用户或者可以直接使用已有的模块模型，或者在继承原有模型的基础上进一步扩展。然后在这些模块组合的基础上，建立发动机的完整模型，并设定模型中各个部件的参数和参数的初始值，这样最终就获得了一个根据用户需要建立的新的发动机完整仿真模型。
在建立了发动机完整模型之后，具体的分布仿真过程如下，如图5所示：
●客户，向注册中心查询一个服务工厂，注册中心返回一个工厂服务的句柄；
●仿真用户(即喷气发动机***模型)，调用一个工厂中的操作以建立一个子仿真服务的实例；
●工厂建立该子仿真服务的一个实例；
●工厂把这个新产生的子仿真服务的服务句柄返回给客户和仿真用户；
●通过客户与服务间的初始调用，仿真用户与所对应的仿真服务建立起联系并可以互操作。
本发明***的特长不是在异构***上并行的运行几个不同的任务，而是使用任何适当的和可用的几个资源共同协作。因为每一个工作不必运行在同一个资源上，所以如果某个特定仿真任务可能要求特别的资源(如超级计算机或特定软件)是可以承受的，而其它仿真过程可以运行在一个标准的和相对便宜的资源上。工作任务可以运行在任何资源上，这样增加了应用的可用性和可靠性。
本发明改变了目前分布仿真中只重视具体模型编程实现，而对具体仿真对象模型整体结构和框架设计的忽略；集成了多学科，多层次仿真模型，能够从不同角度和细节上对复杂的发动机内部的部件相互作用和相互影响以及整体性能进行研究，从而减少循环设计和试验次数，对***和部件结构改进等提供支持。

Claims (8)

1、一种基于网格的喷气发动机分布仿真***，包括：仿真开发环境模块和仿真运行环境模块，其特征在于：
仿真开发环境模块支持复杂***在构造阶段的各类活动，开发阶段生成各类数据信息模型，分为部件建模***、***级建模***两个子***，所述的部件建模***，包含各建模工具建立的模型，并将其按照网格服务以及本***的要求封装，为***级建模提供统一标准的界面接口；所述的***级建模***，在发动机***级建模阶段，所有的部件都被包装成标准的仿真服务，并且统一到***级模型框架下，为其提供同一标准的建模手段；
仿真运行环境模块主要完成各个仿真应用***在运行阶段的仿真运行管理、仿真时间管理和仿真数据管理，它包括：***级架构、发动机部件模型架构和仿真服务实现架构，所述的***级架构，位于整个***的顶层，通过Modelica标准联结接口，***级架构中的部件模型或接口与发动机部件模型架构中的部件模型一一对应，***级架构能虚拟建立、装配和控制发动机仿真的过程，在整个***上负责模型间的数据传输，并控制模型间的仿真顺序；所述的发动机部件模型架构，直接建立在仿真服务实现架构上，对发动机部件模型及其服务按照网格计算的要求进行封装，然后通过标准的网格服务接口与仿真服务实现架构提供的各项网络基础功能实现联结；所述的仿真服务实现架构，把计算基础设施、各种仿真资源组装为统一标准的网格计算基础设施，向下用来屏蔽网络基础硬、软件资源，向上为发动机部件模型架构提供标准网络设施接口；
进行分布仿真时，分为三个部分：总模型建立、子模型设计和模型求解，模型仿真求解时，由***级架构客户端根据需要，从模型库中选取相应的子模型以及子模型求解的特定求解器，建立临时的分布仿真模型***，当仿真结束后，该***自动解散，每个具体的子仿真服务能再次组合起来进行下一个模型的构建和仿真。
2、根据权利要求1所述的基于网格的喷气发动机分布仿真***，其特征是，所述的***级架构，能以相应的“虚”模型即图标代替在发动机部件模型架构中建立的发动机部件的实际模型；具备基本的图形化界面功能：窗口管理，拖放、移动“虚”模型图标。
3、根据权利要求1或者2所述的基于网格的喷气发动机分布仿真***，其特征是，所述的***级架构，包含了发动机各物理部件相应软件模型的集合，它提供了虚拟化的发动机，图形化用户界面以及对仿真过程控制策略，用户以图形化方式浏览模型组件，对模型进行可视化的查询与组装，并对组装好了的模型在***级仿真环境中进行验证。
4、根据权利要求1所述的基于网格的喷气发动机分布仿真***，其特征是，所述的发动机部件模型架构中，包含喷气发动机模块化的部件模型库，喷气发动机模型库依据模块化分解原理和面向对象仿真方法，建立***级喷气发动架构和发动机部件模型库，根据发动机实际结构和工作原理，将其划分为多个部件模块模型，将这些模块按规则组织成具有相对独立性的部件模型库，它包括了所建立的航空燃气轮机中的部件数值和编程模型，这些模型是CFD模型，FEA模型或者是一套描述发动机部件运行的数学公式，在发动机部件模型架构中设计的发动机部件模型。
5、根据权利要求4所述的基于网格的喷气发动机分布仿真***，其特征是，所述的部件模型库，是以能反应实际发动机物理结构的层次结构组织的，根据仿真目的、可用的计算资源、要求的精度从库中选择模型，在发动机最初设计阶段，仿真使用零维部件模型来进行性能预测，在其后的详细设计阶段，则用更高阶的模型，从装配角度把发动机分解成以下部件：进气道、风扇、压气机、燃烧室、外涵道、涡轮、尾喷管和轴，依据喷气发动机的实际物理组成及各部件的物理工作过程，进行合理简化后，建立各部件或子***模型，应用Modelica语言实现各部件层次化的程序模块，在此基础上，结合仿真软件Dymola，最终建立了一个喷气发动机模块化仿真模型库。
6、根据权利要求4所述的基于网格的喷气发动机分布仿真***，其特征是，所述的部件模型库，其基本组成分为以下几个部分：①类：模型库中最基本的组件，定义了发动机部件中的最基本的参数和变量，除非被继承或调用，否则不能完成任何计算；②函数：也是模型库中最基本的组件之一，它仅完成仿真中的数学计算；③基本模块：由各种类和函数组成，具有实际物理意义，能完成仿真计算，是组成模型的基本组件，它包含在部件模型中，或者单独存在；④部件模型：每一个部件模型都与物理意义上的发动机部件相对应，由模块和类共同组成；部件模型库中还有辅助组件。
7、根据权利要求1所述的基于网格的喷气发动机分布仿真***，其特征是，所述的仿真服务实现架构，是基于VEGA软件包开发的，通过建立一个“虚拟组织”把分布的发动机设计人员，计算机软/硬件，甚至试验设备综合到一起，仿真服务实现架构屏蔽了分布仿真中的计算基础设施、各种仿真资源和工具资源。
8、根据权利要求1所述的基于网格的喷气发动机分布仿真***，其特征是，所述的部件建模***、***级建模***两个子***还分别包含有模型检验子***、仿真控制子***，模型检验子***分别对部件级的模型进行检验和修正，仿真控制子***控制整个仿真流程和数据传递，在***级模型中提供一个单一的仿真控制方法。
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