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摘要：随着科学技术的发展，航空航天和空间技术有了飞跃的发展，在这些飞跃的发展技术中主要的技术就是CAE技术。航空工业可以说是CAE技术发展的摇篮，各种CAE技术正是在以航空工业为主的实际工业应用的推动下在不到半个世纪时间里迅猛发展起来的。以ANSYS、LS-DYNA、Nastran、CFX、Fluent等为代表的高端CAE软件早已活跃在全球航空工业中。
关键词：CFD仿真技术；航空发动机；应用
1引言
目前国际知名企业的航空发动机研制周期从过去的10～15年缩短到6～8年甚至4～5年，试验机也从过去的40～50台减少到10台左右。在发达国家的航空企业里CAE已经作为产品研发设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施，在生产实践作为必备工具普遍应用。
2、CFD技术国内外使用状况简介
CFD作为CAE技术的一种，已经越来越多的被国内外航空企业广泛的得以应用。第一个商用CFD软件包FLUENT，由与美国空军合作的流体技术服务公司Creare公司于1983年推出的。商业CFD软件的开发及应用，加速了航空工业的发展，使得基于虚拟样机仿真的现代设计方法成为了可能。以波音公司航空研发发展历史为例，不难发现，波音公司先后采用了经典的实验测试方法、半经验的方法、空气动力学的计算、政府内部及企业的CFD代码及广泛的采用CFD商业代码。在波音公司2005年的软件应用报告中明确指明，在1998至2005年内，其公司每年数值仿真成果的增加量都接近84%左右，采用CAE/CFD的速度超过了工业的成长速度，CFD技术已经成为其设计的主要手段之一。另外从美国软件公司ANSYS公司的销售业绩报告上显示，航空工业上的应用产值是其公司的主要收益来源之一。
CFD软件正以其强大的优势在研发中发挥的巨大的作用，例如在NISA的报告中提到，原本需要7年完成的维吉尼亚级潜水艇的设计，通过CFD技术的应用，5年就顺利完成；而预计需要11年完成的B-2轰炸机的飞行测试，则在短短的4年内就通过了测试。
国内在CFD技术上的应用一般，特别是在航空发动方面的使用上，起步与国外相比较晚，力度上也相差较多。
3、CFD技术的应用
目前在航空发动机的实际应用中是最广泛的一款CFD商业软件是ANSYS旗下的商业软件FLUENT，其不仅容易使用，而且其准确性及行业的广泛性都是其它商业软件所不能比拟的。CFD软件的使用已经遍及了航空发动机的各个部分的研究，接下来本文通过对其它文献的分析逐一介绍CFD在航空发动机中的使用。
3.1CFD技术在压缩机、涡轮方面的应用
气动稳定性的设计是当代航空发动机发展研制过程中的重要技术问题之一。在航空发动机中，对气流最敏感的部件是风扇、压气机和涡轮。在以上3个部件中，CFD的主要应用集中在对压气机和涡轮效率分析上，多级压气机/涡轮最主要的气动问题就是各级流动是否匹配，总的效率是否达到设计要求。在涡轮方面，CFD不仅可以计算涡轮效率，而且对涡轮叶片的冷却效果分析有着重要的应用。
例如西门子公司针对其RS-59型15级轴流压气机的数值仿真模拟，通过CFD数值仿真与实验数据的比较，很好的反应了数值仿真的精确性，这对于航空发动机内部流动的分析是非常重要的，RS-59型压气机实验与计算数据的比较，在该模拟中还讨论了级间效率，湍流模型等等有关压气机模拟的问题。
在针对涡轮的冷却模拟中，CFD软件的表现力更加出色，由于具有冷却系统的涡轮叶片结构非常复杂，实验无法观察到叶片内部流动状况，而模拟可以很好刻画叶片内部的流动及换热特点，因此越来越多的航空发动机涡轮冷却分析采用了数值模拟的方式。
3.2CFD技术在燃烧室方面的应用
烧室主要作用是组织气体燃烧，形成高温高压的燃气推动涡轮旋转。现代燃烧室的进气温度可达800K，今后可能达到900K，进口压力为30e5Pa，今后将达到35～40e5Pa。燃烧室出口温度现在为1650K到1700K，有的甚至会达到1800K以上。如此恶劣的环境使得实验研究燃烧室的内部流动及化学反应流动变得异常困难，数值仿真则很好的解决了恶劣环境下的流动和化学反应问题。
从气动分析角度来看，燃烧室需要解决的主要问题有燃烧室内流动分布是否均匀，化学反应动力学分析、碳氢燃料燃烧的污染物生成，污染物的排放，燃烧室的冷却分析，燃烧室点火和灭火模拟等等。
3.3CFD技术在发动机其它方面的应用
CFD不仅在发动机核心机中有广泛的应用，在其它领域里也有很多的实际应用，例如，针对发动机封严的研究，通过CFD技术的使用，可以非常清晰的分析出篦齿封严，刷式封严及石墨封严间的流动差别，可以很好的优化更封严系统的设计。
另外在喷口系统、结冰系统、空气动力系统、辅助动力装置系统、进气道及火灾系统等等都有实际的工程应用。
4.存在的问题及改进
(1)对航空发动机发展的重要战略意义认识不足。在上课的时候，中国跟国外的差距就在于没有什么长远的战略规划，结合我查到的文献，感觉事情还真的挺严重，航空发动机是飞机的心脏，在未来高科技战争中，有至关重要的作用。但是中国一直都没有太过重视航空发动机的战略发展，没有把航空发动机列入中长期的规划。
(2)“动力先行、预研先行”的原则，这是从航空工业发展中得到的规律。却没有得到广泛共识和贯彻，致使研究基础薄弱，技术储备不足，型号研制屡攻不克。关于“动力先行、预研先行”的原则，航空人并非一无所知，也曾经反复呼吁，但贯彻执行时紧时松，终究未能列入国家重点规划项目。我国的航空发动机的发展往往是有了飞机型号再确定发动机型号，有了发动机型号，才能开展预研工作。这种本末倒置，互相脱节的工作计划，导致我国自行研制的近20个发动机型号未获成功。
(3)把仿制手段当成目的，消化吸收不够，且时间过长，严重影响了我国航空发动机的自主创新发展。在这里，我也不是说仿制就不好。但是，我国却把专利引进和测仿机种的手段当成目的，未在自研的路子上狠下功夫，而且仿制时间过长。据不完全统计，40多年来我国先后测仿来自5个国家的各型发动机共36个型号，大都是这些国家当时二、三流甚至即将淘汰的产品。尤为失策的是一旦自行研制稍出问题立即下马再从外国买。结果，引进仿制往往挤掉或削弱了国内的新机研制。更谈不上认真的消化吸收了。
5总结
本文通过对CFD在航空发动机的实际应用的文献搜集，展示了目前国外航空发动机的研发现状，为国内的航空发动机研发人员提供了借鉴资料，通过对CFD的实际应用介绍，不难发现：CFD技术不仅针对航空发动机的核心机方面有实际应用，而且在其它的辅助系统内部也有较好的应用；CFD技术已经成为了航空发动机研发中一种比不可少的工具。
展望未来，可以预见CFD技术必将成为航空发动机研发的主要手段之一，而且随着计算机技术与CFD技术的发展，航空发动机整机数值模拟也将会最终实现。
参考文献：
[1]吴大观。发人深省的航空喷气发动机发祥史[J].中国工程，科学20002（1）。
[2]陈光。现代航空发动机发展与分析[J].北航动力系，1995,23（3）。
[3]陈大光。未来先进飞机推进系统技术发展的新特点[J].北航动力系1997，31（8）。
[4]李志广。未来航空发动机的发展展望[J].航空发动机，1998,14（1）。