針對先進航空發動機的技術發展需求，提出了航空發動機數值仿真技術的定義和內涵。從專業、學科、空間、時間、工具等方面給出了航空發動機數值仿真技術的五個維度，從促進航空發動機研制模式轉變等方面分析了其戰略地位和作用。通過國外典型研究計劃和實例分析了國內外發展現狀，指出了我國在該技術領域的主要差距。提出要充分認識數值仿真技術在航空發動機研制中的重要地位和作用，盡快建設和發展屬于我國自己的航空發動機數值仿真系統，建設面向全行業的“航空發動機數據庫”。

1 數值仿真技術的內涵和需求

1.1 數值仿真技術的內涵

航空發動機數值仿真技術是指按照先進軍民用航空發動機研制的需求，以先進航空發動機整機、飛/發一體化復雜系統和流-固-熱多學科綜合數值仿真為特點，以開發具有自主知識產權的仿真系統和專業仿真軟件為重點，結合商用仿真軟件的應用校核和二次開發升級，以整機復雜系統的全流程、全構件、全參數精細準確校核驗證為基礎，依托高性能計算和虛擬現實等先進信息化技術，由仿真軟硬件支撐環境（包括高性能計算和虛擬現實系統）、航空發動機數值仿真系統、仿真綜合驗證試驗平臺等部分組成的先進航空發動機數值仿真與驗證支撐技術體系。總之，航空發動機數值仿真技術的核心就是利用先進計算機技術，基于多學科耦合對航空發動機整機或部件進行高精度高效率的數值模擬計算。

航空發動機數值仿真技術是計算流體力學、計算結構力學、虛擬現實、人工智能、大數據等最新科學研究和計算機信息技術在航空發動機上的綜合應用[1]。在現代先進航空發動機的研制全過程中，計算機仿真模擬、理論計算分析和實物試驗驗證，已發展成為三種不同的重要設計手段和工具，三者緊密相聯，互為補充，缺一不可，并貫徹于發動機設計、研制、使用、故檢、維修和退役的全壽命周期之中。

1.2 數值仿真技術的需求

1.2.1 促進航空發動機研制從過去的完全依賴實物試驗向與虛擬試驗并重的方向轉變

1） 方案論證階段：整機仿真技術，已經成為開展發動機方案篩選和優化的主要手段之一。

2） 工程研制階段：與實物試驗數據相結合的零部件/系統性能仿真、多學科耦合仿真，以及整機總體性能/結構匹配/方案優化仿真，是完善設計、實現技術指標優化的主要方法。

3） 全壽命周期：對于某些難以進行或不可能進行的實物試驗，或者現有試驗設備參數無法達到的試驗，以及難以復現的故障[2] 或特殊工作狀態，采用以仿真為基礎的虛擬試驗，也可以說是唯一可行的研究手段和方法。

1.2.2 實物試驗與虛擬試驗有機結合，互為補充，不斷提高研發水平

1） 在許多實物試驗中，測點數量少、某些部位測不到、流線和分離看不到、動態變化分析不清等問題，在仿真虛擬試驗中可以得到必要的彌補[3]。

2） 虛擬試驗再好，但它也不能完全代替實物試驗，特別是結構強度[4]、安全性[5]、可靠性[6] 和壽命[7] 等，必須要通過實物試驗考核，所以兩者具有很強的互補性。

3） 航空發動機系統構成十分復雜，內部流-固-熱多學科高度耦合[8]，在湍流流動、兩相燃燒、材料疲勞等機理尚未吃透情況下，無法實現有效的建模和仿真。

4） 實物試驗可以為虛擬試驗模型的確認提供必要的大量數據和信息[9]，還可以發現虛擬試驗中不能涵蓋的機理問題。

5） 通過將實物試驗與虛擬試驗有機地結合，實現虛實互補、相互借鑒，螺旋式提升，可以不斷提高航空發動機的整體研制水平，更快更好地實現研制目標。

1.2.3 為建立航空發動機自主研發體系，要求仿真技術向全過程、全壽命周期覆蓋

航空發動機研制是一項高度復雜的大系統工程，從管理科學角度而言，就包括項目管理和技術管理兩大過程，而其中項目管理過程又包括集成管理、計劃管理、資源管理、溝通管理、質量管理、風險管理等；技術管理過程又包括技術規劃、技術控制、技術評估、技術決策等。從項目研制流程來看，以自主研發為基礎的正向研制流程包括方案論證、設計計算、工裝/制造/裝配、試驗/試飛驗證、使用維護保障等。從設計角度而言，又包括需求分解與定義、集成與驗證等各階段反復的驗證和確認過程，即所謂雙“V”構架（如圖1）。這其中仿真技術始終貫穿研制的各個階段和流程，已經成為航空發動機自主研發全過程、全周期不可或缺的必要手段。

總之，利用數值仿真技術，在新型航空發動機初期設計階段，對其設計方案進行仿真驗證和優化，提高設計的“一次通過率”，為技術決策提供支持；在發動機研制階段，提供部件或整機性能參數分析，起到數值試車平臺作用；在型號定型階段，給故障診斷分析提供技術支持。數值仿真技術可以大幅度地縮短發動機的研制周期，提高設計水平，降低研制費用，完善技術保障，推動和促進航空發動機技術的加速發展，從而不斷提高我國航空發動機研制基礎，縮短與美歐等航空大國之間的差距，為實現我國航空發動機從“傳統設計”到“預測設計”的戰略轉變奠定技術基礎，是建設我國先進航空發動機技術支撐體系不可或缺的重要環節和支持工具。

1.3 數值仿真技術的維度

從不同的視角出發，可將航空發動機數值仿真技術所涵蓋的專業、學科、空間、時間、工具等方面，概括為以下五個維度：

1） 專業維度：航空發動機整機、部件和系統的主要專業，包括總體性能、總體結構、風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪、加力燃燒室、進排氣系統、機械系統、空氣系統、控制系統等。

2） 學科維度：力學、熱學、機械學、聲學、化學、材料學、信息學等主要基礎和工程技術學科，包括流體力學、燃燒學、傳熱學、結構強度、振動、可靠性分析、機械設計、控制系統、材料學、工藝制造、計算機、信息學及多學科交叉耦合等。

3） 空間維度：包括零維、一維、二維、準三維和全三維等所有宏觀空間尺度。

4） 時間維度：包括定常、非定常、穩態和瞬態等。

5） 工具維度：主要包括計算機輔助設計（computeraided design，CAD）、計算流體力學（computationalfluid dynamics，CFD）、計算燃燒學（computationalcombustion dynamics，CCD）、計算機輔助制造（computer aided manufacturing， CAM） 、有限元分析（finite element analysis，FEA）、虛擬現實（virtualreality， VR） 和高性能計算（high performancecomputing，HPC）等各類通用和專用軟件工具。

2 數值仿真技術的地位和作用

2.1 促進設計模式的轉變

隨著計算流體力學、計算結構力學和計算機仿真技術的發展，國外航空強國（尤其是美國）引發了一場航空發動機設計模式的“革命”，基本實現了從“傳統設計”向“預測設計”轉變（如圖2）。傳統設計是指通過大量反復的實物試驗來確定方案，暴露問題，排除故障。傳統設計的研制周期一般需20~30 年，發動機直到完成定型設計，需要制造50 臺左右的樣機。因此過去常說：“發動機是試驗出來的”。預測設計是指發動機的方案設計及修改主要在計算機上進行，基于數學模型、數值計算和虛擬現實技術來模擬出發動機性能參數。此時僅需少量的試驗工作來驗證數值計算的設計結果，從而大大縮短發動機的研制周期，節省研制成本。因此現在也可以說：“發動機是設計出來的”。

2.2 數值仿真的主要作用

1） 利用數值試驗優化設計，暴露問題，篩選方案，提高設計的“一次通過率”。

2） 減少試驗工作量，減少試驗件的數量，縮短研制周期，降低研制成本。

3） 實現發動機設計的“透明”化 ，大大提高設計的準確度。采用數值仿真方法，可以獲得物理試驗中無法測量的發動機內部詳細信息和參數，也可對某些難以試驗的發動機工況進行數值試驗。

4） 加快發動機設計工作從“傳統設計”到“預測設計”轉型，實現從“測繪仿制”到“自主研制”的戰略轉變。

國外的成功實踐經驗表明，廣泛采用以數值仿真技術為基礎的先進設計仿真工具和方法，可以大大減少實物物理試驗的工作量和時數，從而既減少了研制時間和周期，也大大降低了研制費用。據美國空軍研究機構（AFRL/PRTA） 2002 年3 月發表的資料表明[10]，在第三代發動機改進改型和第四代發動機研制中，通過采用先進設計仿真工具，可將發動機研制過程中用于測試的發動機整機數目從14 臺減到9 臺左右，而總的試驗時數可以從10 000 多小時降低到7 000 多小時，減少大約30%（見表1）。而相應的研制經費也可從15 億美元左右減少到7 億多美元，降低幅度達到50%（見表2），體現了仿真技術的顯著軍事和經濟效益。正因如此，仿真技術被公認為是現代先進航空發動機研制技術的一個重要發展方向，可以推動現代科學技術的進步，世界各國都已高度重視并大力發展。

3 仿真技術發展現狀

3.1 國外發展現狀和典型實例

正是因為逐漸認識到數值仿真技術的巨大影響，自20 世紀80 年代后期以來，美國、英國、法國和俄羅斯等航空發達國家非常注重多學科數值仿真技術在研制過程中的重要作用，相繼制定并實施了相關計劃，開展發動機數值仿真與驗證技術研究。

3.1.1 美國

在航空發動機數值仿真技術的眾多發展計劃中，迄今為止規模最大的是美國的推進系統數值仿真計劃（NPSS） [11-12]。該計劃隸屬于NASA 的高性能計算和通信計劃（HPCCP），由美國NASAGlenn 研究中心負責，聯合工業界、學校和其他政府機構共同參與實施，其中僅在喬治亞理工學院（GIT）建立的一個仿真研究中心就擁有120 人的研究隊伍。在經費投入上，從20 世紀90 年代到2010 年的10 多年間，年均投入經費近4 000 萬美元，其中僅系統開發年均投入經費就高達420 萬美元。該計劃已取得重大進展，在部件集成方面，已完成風扇與短艙、風扇與增壓級、混合器與噴管、三維低壓分系統及三維高壓壓氣機的集成數值仿真；

在整機仿真方面，基于GE90-94B 發動機，于1997 年實現了發動機的零維/一維仿真， 1999年實現發動機的軸對稱二維仿真，2001 年實現三維穩態氣體動力學仿真，2005 年實現全臺發動機三維穩態多學科仿真，2010 年實現三維過渡態多學科仿真，并最終實現飛機/發動機綜合仿真（如圖3）。該系統于2000 年3 月發布了NPSS V1.0完全版，并2001 年升級到2.0 版[13-14]。

利用NPSS 及其相關技術成果，美國還開展了GE90 發動機的渦輪部件設計仿真優化，包括渦輪總體性能優化、流道形狀優化、降低氣動損失等。優化效果表明：單機質量減少約113.4 kg（250 磅） ，油耗下降1%。每個引擎節省近25 萬美元。整個工作在3 個月內完成，大大縮短了設計周期[15]。

與此同時，美國還在燃燒數值仿真方面實施了專門的國家燃燒代碼（NCC） 計劃， 并在IHPTET、VAATE 等其他相關計劃中得到支持。眾所周知，要想真正實現航空發動機的預測設計，數值仿真和設計工具的預估精度需要有大幅度的提高。表3 給出了要想實現預測設計所需要的大致仿真精度，以及美國目前達到的水平，從中可看出，美國目前在仿真與驗證技術方面已經達到相當高的技術水平。

3.1.2 俄羅斯

為了抗衡美國在數值仿真軟件方面的發展，俄羅斯中央航空發動機研究院（CIAM）啟動了渦輪發動機計算機試驗技術（CT3）計劃，并開發了燃氣輪機計算機仿真系統（Computer Gas TurbineEngine Simulator，CGTES）。該系統是專為航空發動機數值仿真研究開發的獨立計算體系[16]，包括一系列從一維到三維的高精度仿真軟件，可實現對發動機整機或部件的數值計算。該系統即可計算發動機的穩態參數，也可對非定常過渡態進行計算。目前CGTES 已經成為俄羅斯航空發動機整機性能評估的第三方標準軟件，各設計局研制或改進的航空發動機必須要在該系統上進行整機和部件的性能仿真和評估分析，并以此作為發動機性能指標評估和考核的重要依據和參考。

3.1.3 歐洲

歐洲主要是英國羅-羅公司、德國MTU 公司、法國SNECMA 公司等航空動力領域的行業巨頭，在歐盟、政府、軍方和商業投資者支持下開展數值仿真技術研究，在民用航空發動機研發領域得到廣泛應用。

英國羅-羅公司針對民用大涵道比渦扇發動機多級壓氣機部件，在壓氣機部件氣動聲學一體化問題的定義、分析、優化和驗證等方面廣泛應用數值仿真技術，避免許多可控和不可控噪聲因子的影響，提高了氣動穩定性，縮短了設計周期，節省了研發費用。

德國MTU 公司在民用大涵道比渦扇發動機多級低壓渦輪設計中[17]，以氣動損失最小、滿足可靠性約束要求為目標，采用渦輪葉片穩健性形狀多學科優化仿真技術，明確了制造公差、材料和性能參數等主要不確定性因素，優化結果表明：氣動損失降低7.4%，葉片可靠性大于95%。歐盟在2004—2007 年間實施了基于虛擬航空聯合制造的價值提升計劃（VIVACE 計劃），以多學科協同仿真優化為主要技術手段，構建了多學科協同仿真設計系統，應用于航空發動機等三個航空領域，其范圍涵蓋產品從可行性研究、概念設計到詳細設計的全壽命周期，其計劃目標是使得新研發動機試驗時數減少30%，研制周期縮短30%，研制費用降低30%[18]。

3.2 國內發展現狀和差距

3.2.1 發展現狀

“七五”之后，我國在部分學科領域陸續開發和引進了一些數值分析軟件，開展對數值仿真技術的應用研究。2004 年在原國防科工委領導和中國航空工業集團有限公司支持下，在北京航空航天大學組建了面向航空動力行業開放式的航空發動機數值仿真技術研究和發展專業機構——航空發動機數值仿真研究中心，其主要職能是：建立我國先進航空發動機整機數值仿真系統（CANSS） ；開展航空發動機數值仿真技術研究，培養仿真技術科研人才；建立航空發動機試驗數據庫，促進共享共用，減少重復研究；開展與國外的技術交流與合作；為行業內外提供數值仿真技術的支持和服務。

仿真研究中心自2004 年成立以來，累計完成技改2 500 萬元，承擔原科工委、原總裝、工信部、科技部、兩機重大專項等多項重大科研項目。目前現有專職研究人員20 余人，其中院士1 人、高級職稱12 人、在讀博碩士研究生100 余人。10多年來共培養博士近100 人、碩士400 余人。2017 年9 月，中國航發研究院與北航能源與動力工程學院簽署協議，以“共建共管”的模式，以仿真中心為基礎共同組建了“航空發動機仿真聯合研究中心”，探索產學研用緊密結合的新模式，共同開展仿真技術的研究和應用工作。

仿真中心于2005 年引進了當時全行業第一套高性能集群計算機系統和虛擬現實系統，并完成了我國第一代和第二代航空發動機數值仿真系統（CANSS V1.X 和V2.X 系統）的開發工作，形成了我國自己的航空發動機數值仿真系統（CANSS系統）第一版和第二版，提供有關研究院所使用，推進了我國航空發動機向信息化、數字化方向發展。

該系統可實現整機零維/一維/二維氣動熱力仿真、整機一維/部件三維氣動熱力縮放仿真、部件三維非定常氣動熱力仿真、結構強度仿真和氣固多學科耦合仿真等，已經在現役及在研的9 型整機、40 余套部件中得到了成功應用，涉及10 余個型號和項目。其中整機二維計算值與設計值的相對誤差在0.73%～2.8% 之間，整機一維相對誤差在1.03%～3.08% 之間，渦輪部件二維和三維計算值與設計值的相對誤差不大于3%，壓縮部件二維和三維計算值與設計值的相對誤差不大于6%，基本滿足工程應用的要求（見表4）。

3.2.2 主要差距

總的說來，目前我國的航空發動機數值仿真技術的研究仍處在較低水平，主要體現在：

1）在仿真技術和水平方面，發動機整機仿真目前只能實現一維或二維穩態及過渡態數值仿真；部件仿真還只能實現葉輪機等單獨部件的三維數值仿真；多學科耦合研究僅開展渦輪部件氣-固-熱耦合仿真技術的研究，技術水平尚不成熟，離工程應用有較大差距；仿真系統僅僅完成了初步版本的開發及技術驗證工作。更重要的是，目前的仿真計算精度離工程實際要求還有很大的差距，以最常見的氣動熱力計算為例：目前能達到的精度為6%，國際先進水平為3%，工程實用要求為1%。為了提高數值算法的精度和仿真系統的成熟度，需要持續不斷地進行新技術的探索研究工作。

2）在科研能力方面，高性能計算已達到數千到萬核級、百萬億次/秒的水平。目前國內航空發動機行業的高性能計算能力整體水平落后，高性能計算能力嚴重不足，不能滿足整機和部件多維過渡態以及多學科耦合仿真等工程應用的需要。多通道立體三維視景生成設備（VR 系統）功能單一、擴展性和兼容性差、速度慢、不能滿足非定常和實時虛擬仿真的需要。總之，目前行業內的高性能計算設備在計算速度、存儲容量、虛擬環境等方面，都已經遠不能滿足整機和部件多維過渡態以及多學科耦合仿真等工程應用的需要，急需進行合理適當的擴充和完善。

3）在軟件工具方面，工程應用主要還是依賴大型商業通用軟件和部分開源代碼軟件的二次開發，如Ansys、Siemens、Numeca、Openform、Santarn等，具有完全自主產權的專業仿真軟件種類不全、技術落后、功能不夠、驗證不足、應用不廣，航空發動機數值仿真領域的專業軟件“卡脖子”問題仍十分突出，亟需加快研發攻關力度，以期盡早改善和升級。

4） 在人力資源上，由于以前長期對數值仿真技術的忽視，投入不足，人才培養和梯隊建設嚴重滯后，急需加強數值仿真技術研究人才隊伍的建設。

4 思考和建議

4.1 加強領導，加快發展

充分認識數值仿真技術在航空發動機研制中的重要地位和作用，要加強領導、加大投入、加快發展、加強應用，實現航空發動機研制從“傳統設計”向“預測設計”的轉變，以信息化和數字化助推航空動力產業實現跨越發展。

4.2 整合力量，協同創新

在仿真中心已有基礎上，利用聯合仿真中心與工業部門結合緊密的特點，整合行業內外優勢資源，組織“產學研用”相結合的高水平研發團隊，針對先進航空發動機的技術特點，集智攻關，在已有基礎上不斷發展完善，不失時機地持續開展航空發動機仿真技術研究，盡快完善和發展自己的航空發動機數值仿真系統，形成我國擁有自主知識產權、以整機仿真為主要特點的新一代航空發動機數值仿真平臺，并加強在行業內的推廣應用，不斷提高我國航空發動機行業的設計研制水平。

4.3 維護使用，急需建庫

維修保障和外場使用是發動機全壽命周期的重要階段，其中的故障模式、分解排故、維修和飛行數據，對改進和優化設計十分重要，應單獨建立其數據庫和仿真系統，并與設計和研制階段的數據庫和仿真系統之間，建立必要的互聯互通，這對優化發動機設計、改善維修性，提高使用可靠性是十分必要的。

4.4 加強保障，助力提升

高水平的仿真應用離不開高性能計算環境的支持，高精度的仿真能力必須有海量可信數據的支撐。目前航空發動機行業的高性能計算設備在計算速度和存儲能力方面都嚴重不足，難以滿足高保真數值仿真的工程應用需求，急需進行擴充和完善。同時，在仿真軟件開發的過程中，也需要獲取海量、全面、精細、可信的試驗數據，對仿真模型、方法等進行不斷地改進、修正，這是一個需要不斷迭代完善的過程，因此，在組織全行業開展仿真軟件校核和推廣應用的同時，也應大力抓緊針對軟件開發過程的試驗驗證條件建設，全面提高軟件的開發能力和水平，以盡早解決專業軟件“卡脖子”問題。

4.5 共享共用，為心而戰

建議在中國航發研究院建設面向全行業的“航空發動機數據庫”，實現資源和數據的共享和共用。同時，利用航發研究院的行業優勢，面向工程應用，結合在研型號和預研項目，落實仿真技術的工程應用轉化，在發動機型號研制和關鍵技術研究中，要盡快明確地將仿真數值模擬納入設計流程之中，促進仿真技術水平的提高，為早日搞出強勁的“中國心”作出貢獻。