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申请/专利权人：上海大学

摘要：本发明公开了一种面向涡扇发动机的数字孪生物理层的构建方法，应用于涡扇发动机数字孪生领域。本方法的操作步骤为：确认涡扇发动机结构；构建涡扇发动机部件级模型；构建涡扇发动机数字映射模型；对参数进行分类；确定传感器采集方案；将参数数据传递至数字孪生服务器；对数据实现参数融合，反映涡扇发动机工作状态。本发明方法具有一定的创新性和可行性，对于航空发动机数字孪生构建具有一定的借鉴意义。

主权项：1.一种面向涡扇发动机的数字孪生物理层的构建方法，其特征在于，其操作步骤如下：步骤一，确认涡扇发动机结构：涡扇发动机是一系列零件装配形成的复杂装配体，其中，不同零件之间组成不同的部件，用于在涡扇发动机整体中实现不同的功能，依据这些功能将部件分离；步骤二，构建涡扇发动机部件级模型：将分离出来的部件分别组成对应的模型，依据部件功能不同，不同的部件拥有不同的参数输入与输出，依据部件内部的气、动、热力学传递方式，明确每个部件的输入量与输出量；步骤三，构建涡扇发动机数字映射模型：依据部件的功能与部件之间的气、动、热力学传递方式，将部件级模型串联或者并联起来，组成整个涡扇发动机的数字映射模型，用于反映涡扇发动机整体的参数传递；步骤四，对参数进行再次分类：明确分类依据，按照依据将参数分类；步骤五，确定传感器采集方案：依据分类后的参数类型，考虑实际采集环境，确定所需传感器种类，布置传感器分布方法；步骤六，将参数传递至数字孪生服务器得到监测数据集：通过无线传感器网络方式，将采集得到的数据传输至服务器，得到涡扇发动机实时监测数据集；步骤七，参数融合：依据采集到的涡扇发动机实时监测数据集的数据，通过参数融合，实现对于涡扇发动机运行状态的判断，完成面向涡扇发动机的数字孪生物理层的构建；在所述步骤七中，进行参数融合时，包括如下步骤：7-1.使用z-score法标准化涡扇发动机数据；7-2.按照相关度筛选数据，筛选达到要求的相关度大的数据，筛选后的数据包含s维涡扇发动机数据；7-3.数据融合；将标准化后的数据记为：代表涡扇发动机i时刻第k维数据； 7-4.使用Kalman滤波平滑HI随时间变化曲线，用于预测涡扇发动机的状态变化，依据曲线趋势，分析涡扇发动机运行状态；在所述步骤二中，构建涡扇发动机部件级模型时，具体如下：2-1.进气道部件级模型：进气道是涡扇发动机的第一部分结构，利用进气道外部依据飞机飞行高度H求得涡扇发动机外部大气温度T0，大气静压力P0；当H≤11km时：T0＝288.15-6.5H2P0＝[101325·1-H44.3085.2553]Pa3H≥11km时：T0＝216.7K4 进气道利用自身结构，降低外部气体速度并完成增压；进气道依据飞行速度，确定其总压恢复系数σ1；当飞行速度为亚音速时，即Ma≤1.0，σ1＝0.976当飞行速度为超音速时，即Ma≥1.0：σ1＝0.97[1.0-0.075Ma-11.35]72-2.风扇部件级模型：气流经过进气道流入风扇，风扇入口总压P2、总温T2：P2＝σ1·P08T2＝T09气流流经增压比为π、效率为ηF、转速为n的风扇部件增压，其输出量为：风扇出口总压P22、风扇出口总温T22：P22＝P2·π10 2-3.外涵道部件级模型：涡扇发动机为分开排气式涡扇发动机，外涵道与内涵道为并联式结构，其涵道比为BPR；流出风扇的气流空气流量为W2；进入内涵道气流的空气流量为Wa22，进入外涵道气流的空气流量为Wa15； 外涵道出气口面积为A15；其输出量为：外涵道总压恢复系数σ15，外涵道出口总温P15、外涵道总压T15、外涵道出口静压Ps15；P15＝P22·σ1514T15＝T2215Ps15＝P0162-4.低压压气机部件级模型：低压压气机是内涵道的第一个部件级模型，其与外涵道属于并联式结构；风扇气流的空气流量的一部分Wa22进入低压压气机；低压压气机增加比为为πCL、效率为ηCL，低压压气机输出量为：低压压气机出口总温T24、低压压气机出口总压P24、低压压气机出口空气流量Wa24；P24＝P22·πCL17 Wa24＝Wa2219式中，k为空气定熵指数；2-5.高压压气机部件级模型：低压压气机与高压压气机属于串联式结构，低压压气机的出口参数即为高压压气机入口参数；空气流量为Wa24、温度为T24、压力为P24的内涵道空气流经增压比为πCH、效率为ηCH的高压压气机；输出参数为：高压压气机出口总温T30、高压压气机出口总压P30、高压压气机出口静压Ps30、高压压气机出口空气流量W30；W30＝Wa2420P30＝P24·πCL21 空气流量为W30的高压压气机出口气流被分为四波，分别为：燃烧室空气的空气流量W3a；高压涡轮引气流量W31，用于高压涡轮部件前气流的混合冷却；低压涡轮引气流量W32，用于低压涡轮部件前气流的混合冷却；飞机引气流量Wβ；W30＝W3a+W31+W32+Wβ232-6.燃烧室部件级模型：进入燃烧室气流的空气流量为W3a；燃烧室与高压压气机为串联式结构，故燃烧室入口总压、总温等于高压压气机出口总压P30、总温T30；燃烧室中，提供的燃油流量为Wf，存在燃烧平衡：cpgW3a+WfT4＝cpW3aT30+ηBWfHf24式中，cp为空气比定压热容；cpg为燃气比定压热容；Hf为燃油低热值；ηB为燃烧室燃烧效率；燃烧室油气比为farB，经燃烧反应，其输出量为：燃烧室出口总温T4、燃烧室总压P4、燃烧室空气流量W4、燃烧室总压恢复系数σB； P4＝P30·σB26T4＝设定值27W4＝W3a1+farB282-7.高压涡轮部件级模型：高压涡轮与燃烧室为串联式结构；流出燃烧室的气体W4，与高压涡轮引气流量W31混合形成流量为W4a的气体；混合形成的气流位于高压涡轮入口处，其参数为：高压涡轮入口空气流量W4a、高压涡轮入口总温T4a、高压涡轮入口总压P4a；混合前后存在能量平衡：cpgW31T30+cpgW4T4＝cpgW4aT4a29P4a＝P430W4a＝W4+W31＝W3a1+farB+W3131气流混合之后，进入高压涡轮；高压涡轮转速为nH、高压涡轮机械效率为ηmH、高压涡轮降压比为πTH；其输出参数为：高压涡轮出口总温T45、高压涡轮出口总压P45、高压涡轮出口空气流量W45；cpgW4aT4a-T45ηmH＝cpW30T30-T2232 W45＝W4a342-8.低压涡轮部件级模型：低压涡轮与高压涡轮为串联式结构；流出高压涡轮的气体W45，与低压涡轮引气流量W32混合形成流量为W4c的气体；混合形成的气流位于低压涡轮入口处，其参数为：低压涡轮入口空气流量W4c、低压涡轮入口总温T4c、低压涡轮入口总压P4c；混合前后存在能量平衡：cpgW32T30+cpgW45T45＝cpgW4cT4c35P4c＝P4536W4c＝W45+W32＝W3a1+farB+W31+W3237气流混合之后，进入低压涡轮；低压涡轮转速为nL、低压涡轮机械效率为ηmL、低压涡轮降压比为πTL；其输出参数为：低压涡轮出口总温T50、低压涡轮出口总压P50、低压涡轮出口空气流量W50；风扇转速nf； W50＝W4c40nL＝nf412-9尾喷管部件级模型：尾喷管与低压涡轮为串联式结构，内涵道气流经低压涡轮流入尾喷管，从总压恢复系数σ8、截面面积A8的尾喷管喷射而出；其输出参数为：尾喷管出口总压P8、尾喷管出口总温T8、尾喷管出口静压Ps8；T8＝T5042P8＝P50·σ843Ps8＝P044。

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百度查询： 上海大学 面向涡扇发动机的数字孪生物理层的构建方法