石梦华，赵坚行，颜应文，徐 榕

（南京航空航天大学 能源与动力学院，南京 210016）

0 引言

随着航空发动机性能的不断提高，对燃烧室的要求愈加苛刻，传统设计方法很难满足现代航空发动机燃烧室的设计要求，迫切需要引入现代设计方法，以实现更成功的设计并缩短设计周期，设计-分析一体化(CAD-CAE)方法应运而生。该方法的一般策略是：采用通用造型软件（如UG、CATIA等）进行实体建模，导出1个中间通用格式(STEP,IGES等)的文件，然后再用网格划分软件（如ICEM、GAMBIT等）读取前面所建合适的实体模型文件进行网格划分，或者直接在上述带有造型功能的网格划分软件中进行实体建模和网格划分工作，做完所有的前处理后再用CFD软件进行流场计算。

本文针对航空发动机燃烧室开发了专用的CFD前处理软件。

1 CFD前处理的意义

在CAD-CAE设计方法中，实体建模和网格生成要占CFD分析中人工时间的80%[1]，而且专业性很强，即实体建模和网格划分成为CAD-CAE现代设计方法中的1个瓶颈。这个问题由Samareh[2]正式提出，剑桥大学CFD实验室的W.N.Dawes等针对这一问题，提出通过修改不良几何形面以满足网格自动生成所需条件，并且开发了一些半自动的工具[3]，但仍需较多依赖实践经验，其研究主要针对通用的CAD模型，希望能够找到1种CAD模型快速转换到网格的通用方法，难度相当大。出于工程应用考虑，一些科研人员改变策略，针对某一特定模型开发出专用的CFD前处理工具。例如李中云等人开发了风机的参数化建模-网格组合的专用模块，将参数化设计系统与GAMBIT捆绑起来，用户输入模型结构参数后，程序将启动GAMBIT程序，自动进行实体建模、网格划分和边界条件设定等，最终可以输出网格文件，用于CFD计算[4]。吕煊等人则进一步将CFD软件也整合到设计系统中[5]，利用了商业软件GAMBIT与FLUENT中jounal[6]功能结合Windows操作系统的批处理功能实现参数化设计，在整个设计过程中,将GAMBIT与FLUENT作为1个模块，在不调用图形界面的情况下，将GAMBIT的输出参数作为FLUENT的输入参数，并将在FLUENT中后处理的结果作为目标函数。给定了输入参数后，中间的几何建模、网格生成与CFD计算直至输出后处理结果均自动完成。

上述研究虽不属于航空发动机领域，但其高效的前处理方法值得借鉴。目前在CFD应用领域还缺乏专用于航空发动机燃烧室的高效前处理工具。开发燃烧室专用的CFD前处理工具，提供从构建模型到生成网格的有效途径，快速完成燃烧室CFD的前处理工作，能够有效提高燃烧室设计效率，缩短研制周期。

2 参数化设计系统

在传统设计过程中，对于每个新产品都需要重新实体建模，然后对模型进行数值模拟，不断地修改，最后定型，设计周期较长。

参数化设计通过修改图形中的某一部分或某几部分的尺寸或修改已定义好的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动(即参数驱动),便于用户修改和设计。用户在设计轮廓时只需将零件的关键部分定义为某个参数，通过对参数的修改来实现对产品的设计和优化。

燃烧室内部构造具有大量相似的特征参数，具有继承性和连续性。因此，在燃烧室设计过程中，使用参数化设计能充分利用已有资源,从而提高工作效率。

实现参数化设计具有多种策略，可利用现有的专业软件对其进行2次开发，也可直接利用通用语言编写代码建立模型并画出网格。本文采用后1种策略，开发专用于航空发动机燃烧室的参数化建模程序，其建模和网格生成效率较高，且具有完全自主知识产权。

2.1 系统总体架构

针对现有CAD设计系统特点及CFD应用中所存在的问题，设定系统功能如下。

（1）3维可视化。随着计算机硬件技术的不断提高和数字化3维设计技术的成熟，现有流行的CAD软件全部实现了3维建模功能，因此本系统也立足于这一基本技术起点，实现模型动态的3维显示与操作。用户通过直观的3维模型，对所设计的产品结构与功能的理解更为深刻，为实现成功的设计提供了基本保证。

（2）完善的建模能力。参考现有CAD软件的建模模块，把能够建立任意复杂3维模型作为开发目标，本设计系统具备所有基本3维图的绘制能力，以及一些较复杂图形生成能力，保证能完整地描述航空发动机典型零部件外形结构。

（3）快速智能的建模过程。针对航空发动机燃烧室及相关零部件的结构特征，将特定部件的外形结构尺寸进行参数化链接，使生成的模型能够实现尺寸驱动，通过修改其中的某一尺寸，即可立即更新模型形状，而无需进行繁琐的修改甚至是重新建模，显著提高特定部件的建模效率与质量。

为满足以上功能要求，系统采用Visual C++在Windows平台上进行开发，利用OpenGL作为开发工具来完成图形的绘制和渲染、光线和环境的设置。

确定建模程序的工作机理：首先编写描述燃烧室几何外形的脚本文件（含有参数信息）；然后由建模程序解释该文件，并依次执行其中的各条命令，调用几何库并最终在窗口中显示3维模型。若需要更改几何外形，只需修改脚本中的参数值，程序便能快速重新生成3维模型并加以显示，从而实现参数化建模。

本系统的脚本格式参照Gambit jounal脚本，建立1套合理的脚本语言，具备描述1个实体模型需要点、线、面、体等基本元素，此外加入控制模型几何外形需要的参数信息，并与Gambit的脚本兼容，以便实现模型能顺利导入Gambit进而划分网格。程序通过解释脚本来执行操作，所有设计信息都包含在脚本当中，包括所有几何描述和网格信息等。脚本中的参数由设计者给出，当相关参数设置完成后，运行程序，程序逐一解释脚本，执行相关操作，最后生成设计者想要的几何模型。设计者可以对在屏幕中显示3维模型进行各种交互操作，包括缩放,旋转等。基于UG/Open GRIP语言，设计1个数据转换接口，将本系统的脚本自动转换成GRIP程序，经编译即可在UG中打开设计模型，实现2个系统间的数据共享。

2.2 脚本及实体显示

用以描述几何外形的脚本必须遵守一定的语法规则，本系统参考Gambit的脚本文件的命令格式，主要选取其中关于几何建模的相关命令，包括点、线、面、体的构建和移动复制等，并进行了相应的扩展。

程序在读取脚本后，逐行翻译脚本语言，每条语句解读也是从第1个字符开始逐一向下解读，读取到不同的特殊字符，便会进行相应操作，脚本的解读流程如图2所示。

语句的首个字符包括参数（var）、点（vertex）、边（edge）、面（face）、体（volume），只要在以后的语句中发现对应参数，用参数值将其替换即可。而对于几何特征，在读取到第1个字符后分别转入点、线、面等的相关操作，并判断下一字符，包括构建（create）、移动（move）、删除（delete）等。构建命令则进一步包括多个子类，如体的构建的种类（如图3所示）。程序针对不同的构建类型调用相关模型库，进而生成实体。

分析燃烧室的几何外形，构建各零部件主要用到了体的拉伸、旋转以及体与体直接的布尔运算等。

（1）首先为了实现参数化，必然要在脚本中以参数代替具体的值，所以本脚本定义了参数的初始化格式，例如：

例如下面的生成点的脚本语句，将其坐标值以参数代替，形式如下：

式中：0[“Rn”-“Wn”/2]0即为该点的参数化坐标。

式中：volume为生成体的名称；face为欲旋转的面名称；angle为旋转角度；vector和origin共同组成拉伸向量；edge为拉伸所沿的直线。

例如：

旋转生成的体如图4所示。

（2）拉伸体命令：volume create[volume]translate face rector real1 real2 real3

式中：real1、real2、real3为拉伸向量。

润光养生美容酒是中医养生美容专家李润光教授在祖传养生美容宝典《回春部》的基础上,结合现代中医养生美容理论研制出来的一种可供内服、外用的酒剂。它主要由乌梅、桂圆肉、枸杞、陈皮、黑枣、茯苓、佛手、罗汉果、山楂、花椒等中药经露酒浸泡制得。前期,本课题组已对其急性毒性以及抗炎镇痛作用进行了研究,结果表明该酒的临床常用口服剂量是安全的以及该酒具有显著的抗炎镇痛作用[1]。本研究利用30天喂养试验评价该酒的亚急性毒性,为进一步开发利用该酒提供基础。

拉伸实例如图5所示。

（3）体之间求差：volume subtract volume1 volumes volume2[volume3...]

式中：volume1 为原体；volume2[volume3...]为工具体。

例如：

volume create“VOL1”revolve“FACE1”angle 6 vector 100 origin 000

volume create“VOL2”height 8 radius14 radius34 yaxis frustum//生成圆柱体

volumemove“VOL2”angle20vector001origin000

volume move“VOL2”offset 1803300

volume subtract“VOL1”volumes“VOL2”

结果如图6所示。

（4）体之间求和：volume unite volume1 volumes volume2[volume3...]

（5）考虑到火焰筒上的主燃孔和掺混孔的绘制是循环复制产生的，为了简化脚本命令，添加了DO循环语句。

例如：

式中：N为开孔的数目，是可调的，在脚本之初可定义其数值大小。

3 燃烧室的参数化建模

本文的研究对象为环形燃烧室，包括突扩扩压器、火焰筒和内外环冷却通道等。考虑到燃烧室流场周向的对称性以及为了提高计算效率，环形燃烧室流场计算一般只选取1个头部单元即可，本设计为20个头部，即选取18°范围内的燃烧室结构进行建模，另外应选取合适的单元，避免火焰筒上内、外环上的主燃孔和掺混孔被所选的单元截面分成不完整的孔。直接对完整的燃烧室进行参数化建模是不可取的。因为燃烧室几何结构复杂，建立其各结构尺寸的关系链难度相当大，同时给后来的网格生成和程序编制带来麻烦。因此，有必要对燃烧室结构进行适当简化处理，在此略去了旋流器等结构，并且对一些曲线做了简化，对简化的燃烧室结构（如图7所示）进行参数化建模。

选择对燃烧室性能有重大影响的关键结构尺寸作为参数，对燃烧室结构进行分析。

主要参数如下：Do燃烧室外径，mm；Di燃烧室内径，mm；Hc燃烧室高度，mm；Lc燃烧室轴向长度，mm；DLo火焰筒外环直径，mm；DLi火焰筒内环直径，mm；HL火焰筒高度，mm；LL火焰筒轴向长度，mm；Hano外环高度，mm；Hani内环高度，mm；Θ 火焰筒轴线夹角，°；na头部及喷嘴数量；npho外环主燃孔数量；dpho外环主燃孔直径，mm；nphi内环主燃孔数量；dphi内环主燃孔直径，mm；ndho外环掺混孔数量；ddho外环掺混孔直径，mm；ndhi内环掺混孔数量；ddhi内环掺混孔直径，mm。

这样，在描述燃烧室结构的脚本中，各关键点的位置可以用各种参数之间的关系进行描述，例如

程序在解释脚本过程中，根据设置的参数进行函数运算，调用OpenGL几何库，即可生成参数化的燃烧室3维模型。

使用本软件对燃烧室进行设计时，无需从头开始建模，描述燃烧室几何形状的脚本中的具体尺寸值已参数化，在建立脚本时即定义了参数表，使用时只需填入参数表中的具体参数值即可。设计完成后的优化调整，也只需通过调整个别参数即可自动更新模型，而无需重新建模。

由本系统所生成的燃烧室实体模型如图8所示。

4 数据转换接口

为满足使用者对于CAD数据文件转换的要求，本文开发了1个简单实用的数据转换工具。即利用UG的2次开发语言模块UG/Open GRIP，将本设计系统的脚本文件翻译成GRIP源程序，经GRIP编译器的编译及链接后，在UG环境下打开模型文件。

UG/Open GRIP是UG软件包中的1个模块，是UGS公司提供的1个用于UG2次开发的软件工具，具有简单、方便操作的特点。利用GRIP程序，可以完成与UG的各种交互操作。例如，调用一些实体生成语言，创建几何体和制图实体，可以控制UG系统参数，实现文件管理功能，可以存取UG数据库，提取几何体的数据和属性，编辑修改已存在的几何体参数等。此外，与一般的通用语言一样，GRIP语言有完整的语法规则、程序结构和内部函数等。

在GRIP语言中，与本系统脚本文件不同的是，程序中欲生成的实体都需要在程序开头对其变量名进行申明，实体变量的说明语句为

式中：name 是实体变量名；dim1、dim2、dim3 等是实体变量的维数。

例如：

另外，在做实体拉伸和旋转时，本系统的脚本语言要求拉伸的对象必须是已创建的面，而在GRIP中则只需选取1组封闭的线条即可，示例如下

转换成GRIP语言后，语句就变成

在语句转换时需要注意。

上文中本系统建立的燃烧室，经转换工具转换后，在UG中打开效果如图9所示。

5 结束语

（1）开发高效快捷的CFD前处理工具，以解决制约CFD充分发挥潜力的实体建模和网格生成瓶颈问题。

（2）借鉴现有工程实践经验，针对航空发动机开发人机交互的燃烧室参数化设计系统，能够快速生成不同参数的燃烧室模型，并优化几何外形以便于自动生成网格供流场计算程序使用，有助于提高燃烧室的设计效率，缩短其设计周期。

（3）本设计系统的模型构建能力比较有限，因此对燃烧室外形做了较多简化；为了提高对复杂模型的描述能力，应进一步开发对复杂几何特征的描述方法。

（4）本参数化设计思想对于解决工程实际问题具有现实意义。在进一步开发后，本系统可以实现对更广泛的航空发动机部件的快速参数化设计。

[1]朱自强.应用计算流体力学[M].北京：北京航天航空大学出版社，1998.

[2]Samareh J A.Status&future of geometry modelling and grid generation of design and optimisation of aircraft[J].Journal of Aircraft,1999,36（1）：1853-1867.

[3]Dawes W N.Managing the Geometry Is Limiting the Ability of CFD to Manage the Flow[R].AIAA-2003-3732.

[4]李中云，蔡兆麟，吴振伟.利用参数化解决风机CAD-CAE中的瓶颈问题[C]//全国流体机械技术会议.北京：中国机械工程学会流体工程学会，2002.

[5]吕煊，崔玉峰，徐纲,等.无焰燃烧燃烧室的参数化设计[C]//中国工程热物理学会2008年燃烧学学术会议.北京：中国工程热物理学会，2008.

[6]Fluent Inc.FLUENT6.1 User's Guide[C].Centerra Resource Park.10 Cavendish Court,Lebanon,N H,U.S.A.,2003.

[7]向世明.OpenGL编程与实例[M].北京：电子工业出版社，1999.

[8]王庆林.UG/Open GRIP实用编程基础[M].北京：清华大学出版社，2002.