提高渦輪機的效率是降低油耗的關(guān)鍵。在一次完整的高速飛行軌跡中，飛機會在溫差(從40°C的跑道溫度至-60°C的巡航溫度)條件下以不同速度飛行，渦輪發(fā)動機需要在此條件下仍能以極高的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。流經(jīng)渦輪的廢氣溫度會高達幾百攝氏度。設(shè)計渦輪機時需重點考慮其轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙，應(yīng)盡可能使其最小化。飛行過程中發(fā)動機組件的熱膨脹會導(dǎo)致間隙發(fā)生變化，因此有效

控制間隙是面臨的特殊挑戰(zhàn)。合理有效的冷卻方案是渦輪機高效運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。一般說來，航空渦輪機的直徑通常大于1米，而其要求的定轉(zhuǎn)子間隙應(yīng)小于0.5毫米。

   工程師要想做出正確而可靠的設(shè)計方案，應(yīng)當(dāng)考慮整個系統(tǒng)及其物理結(jié)構(gòu)，流體動力，熱效應(yīng)以及多物理場條件下的結(jié)構(gòu)變形等各種因素。

多物理場方法
          這里描述的Avio公司研究的數(shù)值多物理場方法是借助于EnginSoft sPA軟件的一種自動計算過程。這種方法可以控制三款

軟件工具的運行和數(shù)據(jù)傳輸過程。
• MSC.P-thermal:計算物體固體結(jié)構(gòu)溫度分布的溫度場求解器；
• MSC.Marc:計算物體固體結(jié)構(gòu)變形程度的變形分析工具；
• Flowmaster:計算燃?xì)鉁u輪周圍流場分布的系統(tǒng)級流體求解器。

  多物理場仿真是由嵌入到MSC.P-thermal的特定FORTRAN 程序庫驅(qū)動的。FORTRAN程序庫通過引用流體求解器(Flowmaster)和變形分析軟件(MSC.Marc)進行協(xié)同仿真。對Flowmaster的調(diào)用是通過臨時用VB執(zhí)行的耦合界面程序?qū)崿F(xiàn)的。

耦合界面控制著兩組編碼之間的數(shù)據(jù)傳輸，通過對元器件屬性及仿真數(shù)據(jù)的設(shè)置、運行和結(jié)果輸出，實現(xiàn)對各部分元器件流體仿真過程的控制。

系統(tǒng)級仿真
   為保證整個設(shè)計的精確性，需要對整個系統(tǒng)—包含了定子和轉(zhuǎn)子的渦輪機系統(tǒng)進行建模。二次進氣系統(tǒng)，冷卻回路，主動間隙控制設(shè)備和主流道也是發(fā)動機系統(tǒng)級分析要考慮的。整個發(fā)動機系統(tǒng)的仿真需要考慮飛機在待機、起飛、巡航、進場及登錄各階段所處的不同狀態(tài)。一次完整的仿真大約持續(xù)1個星期，需要大約5000

次Flowmaster仿真和3000次變形仿真。所有的仿真和數(shù)據(jù)傳輸過程是由溫度場求解器通過自動的界面程序進行控制和管理的。

結(jié)論
   Avio公司的多物理場數(shù)值計算方法已經(jīng)通過驗證，利用此方法能夠在發(fā)動機設(shè)計階段早期更好地理解渦輪機的散熱過程。同時此方法也便于對幾何圖形、材料屬性、冷卻氣流進行最優(yōu)參數(shù)設(shè)置，以實現(xiàn)對間隙的控制。總之，在設(shè)計階段的早期，多物理場協(xié)同仿真能夠設(shè)定最佳間隙值，以提高效率并降低能耗。這對于限制航空發(fā)動機的污染物排放具有重大意義。