Name: a rapid method for modeling a variable cycle engine
Uploaded: 2019-08-13T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine at JoVE.com

Denna forskning finansierades av de grundläggande forskningsfonderna för de centrala universiteten, Grant Number [No. NS2018017].

1. Förberedelser före modellering
<ol><li>Hämta design punkts prestanda.<ol>
<li>Öppna Gasturb 13. Välj variabel cykel motor.</li>
		<li>Klicka på Grundläggande termodynamik. Välj cykel design. Öppna Demovarcyc. CVC.</li>
		<li>Hämta motorns design punkts prestanda. Dessa visas på höger sida av fönstret.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Hämta komponent mappningar.<ol>
<li>Öppna Gasturb 13. Välj variabel c...

<ol>
	<li>Bin, L., Min, C., Zhili, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Steady+Performance+Investigation+on+Various+Modes+of+an+Adaptive+Cycle+Aero-Engine+[J].">Steady Performance Investigation on Various Modes of an Adaptive Cycle Aero-Engine [J].</a> Propulsion Technology. 34 (8), 1009-1015 (2013).</li><li>Junchao, Z., Min, C., Hailong, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Matching+mechanism+analysis+on+an+adaptive+cycle+engine.">Matching mechanism analysis on an adaptive cycle engine.</a> Chinese Journal of Aeronautics. (2), 22 (2017).</li><li>Lyu, Y., Tang, H., Chen, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+study+on+combined+variable+geometries+regulation+of+adaptive+cycle+engine+during+throttling.">A study on combined variable geometries regulation of adaptive cycle engine during throttling.</a> Applied Sciences. 6 (12), 374 (2016).</li><li>Ruffles, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aero+engines+of+the+future.">Aero engines of the future.</a> Aeronautical Journal. 107 (1072), 307-321 (2003).</li><li>Johnson, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Variable+cycle+engine+developments+at+General+Electric+1955-1995.">Variable cycle engine developments at General Electric 1955-1995.</a> Developments In High-Speed Vehicle Propulsion Systems. , 105-158 (1995).</li><li>French, M., Allen, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NASA+VCE+test+bed+engine+aerodynamic+performance+characteristics+and+test+results.">NASA VCE test bed engine aerodynamic performance characteristics and test results.</a> , 1594 (1981).</li><li>Willis, E., Welliver, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Variable-cycle+engines+for+supersonic+cruising+aircraft.">Variable-cycle engines for supersonic cruising aircraft.</a> , 759 (1976).</li><li>Allan, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=General+Electric+Company+variable+cycle+engine+technology+demonstrator+programs.">General Electric Company variable cycle engine technology demonstrator programs.</a> , 1311 (1979).</li><li>Keith, B. D., Basu, D. K., Stevens, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aerodynamic+Test+Results+of+Controlled+Pressure+Ratio+Engine+(COPE)+Dual+Spool+Air+Turbine+Rotating+Rig.">Aerodynamic Test Results of Controlled Pressure Ratio Engine (COPE) Dual Spool Air Turbine Rotating Rig.</a> ASME Turbo Expo 2000: Power for Land, Sea, and Air. , V001T003A105-V001T003A105 (2000).</li><li>Johnson, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> US Patent. , (2005).</li><li>Vyvey, P., Bosschaerts, W., Fernandez Villace, V., Paniagua, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+an+Airbreathing+Variable+Cycle+Engine.">Study of an Airbreathing Variable Cycle Engine.</a> , 5758 (2011).</li><li>LIU, Z., WANG, Z., HUANG, H., Cai, Y. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Numerical+simulation+on+performance+of+variable+cycle+engines.">Numerical simulation on performance of variable cycle engines.</a> Journal of Aerospace Power. 25 (6), 1310-1315 (2010).</li><li>Loftin, L. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+a+second-generation+supersonic+transport.">Toward a second-generation supersonic transport.</a> Journal of Aircraft. 11 (1), 3-9 (1974).</li><li>Mavris, D. N., Pinon, O. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Complex Systems Design &amp; Management. , 1-25 (2012).</li><li>Reed, J. A., Follen, G. J., Afjeh, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+the+aircraft+design+process+using+Web-based+modeling+and+simulation.">Improving the aircraft design process using Web-based modeling and simulation.</a> ACM Transactions on Modeling and Computer Simulation (TOMACS). 10 (1), 58-83 (2000).</li><li>Koenig, R. W., Fishbach, L. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=GENENG:+A+Program+for+calculating+design+and+off-design+performance+for+turbojet+and+turbofan+engines.">GENENG: A Program for calculating design and off-design performance for turbojet and turbofan engines.</a> NASA Technical Note TN. D-6552. , (1972).</li><li>Sellers, J. F., Daniele, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=DYNGEN:+A+program+for+calculating+steady-state+and+transient+performance+of+turbojet+and+turbofan+engines.">DYNGEN: A program for calculating steady-state and transient performance of turbojet and turbofan engines.</a> NASA Technical Note TN. D-7901. , (1975).</li><li>Reed, J., Afjeh, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+an+interactive+graphical+propulsion+system+simulator.">Development of an interactive graphical propulsion system simulator.</a> The 30th Joint Propulsion Conference and Exhibit in Indianapolis, IN. , (1994).</li><li>Chapman, J. W., Lavelle, T. M., May, R., Litt, J. S., Guo, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Propulsion+System+Simulation+Using+the+Toolbox+for+the+Modeling+and+Analysis+of+Thermodynamic+Systems+(T+MATS).">Propulsion System Simulation Using the Toolbox for the Modeling and Analysis of Thermodynamic Systems (T MATS).</a> , (2014).</li><li>Camporeale, S., Fortunato, B., Mastrovito, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+modular+code+for+real+time+dynamic+simulation+of+gas+turbines+in+simulink.">A modular code for real time dynamic simulation of gas turbines in simulink.</a> Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 128 (3), 506-517 (2006).</li><li>Tsoutsanis, E., Meskin, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+performance+simulation+and+control+of+gas+turbines+used+for+hybrid+gas/wind+energy+applications.">Dynamic performance simulation and control of gas turbines used for hybrid gas/wind energy applications.</a> Applied Thermal Engineering. 147, 122-142 (2019).</li><li>Reed, J., Afjeh, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+extensible+object-oriented+framework+for+distributed+computational+simulation+of+gas+turbine+propulsion+systems.">An extensible object-oriented framework for distributed computational simulation of gas turbine propulsion systems.</a> , 3565 (1998).</li><li>Muir, D. E., Saravanamuttoo, H. I., Marshall, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Health+monitoring+of+variable+geometry+gas+turbines+for+the+Canadian+Navy.">Health monitoring of variable geometry gas turbines for the Canadian Navy.</a> Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 111 (2), 244-250 (1989).</li></ol>

Baserat på en grafisk simuleringsmiljö kan en VCE-komponentnivåmodell byggas snabbt genom modulär hierarkisk arkitektur och objektorienterad modelleringsteknik. Det erbjuder ett användarvänligt gränssnitt till användarna och det är bekvämt att analysera och designa modellen19.
Den viktigaste begränsningen av denna metod är utförandet effektiviteten av modellen. Eftersom modellen är skriven på skriptspråk måste modellen kompileras om varje gång den kör...

Moderna flygplans krav medför stora utmaningar för framdrivningssystemet, som behöver intelligentare, effektivare eller ännu mångsidigare flygplansmotorer1. Framtida militära framdrivningssystem kräver också både högre dragkraft vid hög hastighet och lägre specifik bränsleförbrukning vid låg hastighet1,2,3,4. För att uppfylla de tekniska kraven för framtida flyguppdrag lade General Electric (GE) fram konceptet för variabel cykel motor (VCE) i 19555. En VCE är en flygplansmotor som kan utföra olika termodynamiska cykler genom att ändra geometri storleken eller placeringen av vissa komponenter6. Den Lockheed SR-71 "Blackbird" drivs av en J58 turboramjet VCE har hållit världsrekordet för de snabbaste luft-andning bemannade flygplan sedan 19767. Det visade sig också många potentiella fördelar med Supersonic flygning. Under de senaste 50 åren har GE förbättrat och uppfunnit flera andra VCEs, inklusive en dubbel bypass VCE8, en kontrollerad tryckförhållande motor9 och en adaptiv cykel motor10. Dessa studier involverade inte endast den allmänna strukturera och funktionskontrollen, men också kontrollerasystemet av motorn11. Dessa studier har visat att VCE kan fungera som ett högt bypass-förhållande Turbofläkt vid under ljuds flygning och som en låg bypass-förhållande Turbofläkt, även som en turbojetmotor på Supersonic flygning. Därför kan VCE realisera prestanda matchning under olika flygförhållanden.
Vid utvecklingen av en VCE kommer en stor mängd nödvändiga kontrollarbeten att utföras. Det kan kosta en stor mängd tid och utlägg om alla dessa verk utförs på ett fysiskt sätt12. Dator simuleringsteknik, som redan har antagits för att utveckla en ny motor, kan inte bara minska kostnaderna kraftigt, men också undvika de potentiella riskerna13,14. Baserat på dator simuleringsteknik kommer utvecklingscykeln för en motor att reduceras till nästan hälften, och antalet utrustning som krävs kommer att sänkas dramatiskt15. Å andra sidan, simulering spelar också en viktig roll i analysen av motorns beteende och kontroll lag utveckling. För simulering av statisk design och off-design prestandamotorer, ett program som heter GENENG16 utvecklades av NASA Lewis Research Center i 1972. Sedan utvecklade forskningscentret DYNGEN17 härledd från geneng, och dyngen kunde simulera den transienta prestandan hos en turbojetmotor och turbofläktmotorerna. I 1989, NASA lagt fram ett projekt, som kallas numerisk framdrivnings system simulering (NPSS), och det uppmuntrade forskare att konstruera ett modulärt och flexibelt motor simuleringsprogram med hjälp av objektorienterad programmering. År 1993 utvecklade John A. Reed Turbo fläkt motorns simuleringssystem (TESS) baserat på plattformen för applikations visualiseringssystem (AVS) genom objektorienterad programmering18.
Samtidigt används snabb modellering baserad på grafisk programmeringsmiljö gradvis i simuleringen. Verktygslådan för modellering och analys av termodynamiska system (T-MATS) paket som utvecklats av NASA är baserad på MATLAB/Simulink plattform. Det är öppen källkod och tillåter användare att anpassa inbyggda komponent bibliotek. T-MATS erbjuder ett användarvänligt gränssnitt till användarna och det är bekvämt att analysera och designa den inbyggda JT9D Model19.
I den här artikeln har den dynamiska modellen för en typ av VCE utvecklats här med Simulink-programvaran. Modelleringsobjektet för det här protokollet är en dubbel bypass VCE. Dess schematiska layout visas i figur 1. Motorn kan arbeta i både enkla och dubbla bypass-lägen. När läges Select-ventilen (MSV) är öppen presterar motorn bättre vid under ljuds förhållanden med relativt stort förbikopplingsförhållande. När läget Select-ventilen är stängd har VCE ett litet förbikopplingsförhållande och en bättre anpassningsförmåga för Supersonic mission. För att ytterligare kvantisera motorns prestanda byggs en dubbel bypass VCE-modell utifrån modelleringsmetoden på komponentnivå.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Gasturb</td>
			<td>GasTurb GmbH</td>
			<td>Gasturb 13</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>R2017b</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TMATS</td>
			<td>NASA</td>
			<td>1.2.0</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a rapid method for modeling a variable cycle engine

De variabla cykel motorerna (VCE) som kombinerar fördelarna med Turbofläkt och turbojetmotorer anses allmänt vara nästa generations flygplansmotorer. Att utveckla VCE kräver dock höga kostnader. Därför är det viktigt att bygga en matematisk modell när man utvecklar en flygplansmotor, som kan undvika ett stort antal verkliga tester och minska kostnaderna dramatiskt. Modellering är också avgörande för kontroll lag utveckling. I den här artikeln, baserat på en grafisk simuleringsmiljö, beskrivs en snabb metod för modellering av en dubbel bypass variabel cykel motor med objektorienterad modelleringsteknik och modulär hierarkisk arkitektur. För det första byggs den matematiska modellen av varje komponent utifrån den termodynamiska beräkningen. Sedan skapas en hierarkisk motor modell via kombinationen av varje komponent matematisk modell och N-R problemlösarmodulen. Slutligen utförs de statiska och dynamiska simuleringarna i modellen och simuleringsresultaten visar hur effektiv modelleringsmetoden är. VCE-modellen som byggts genom denna metod har fördelarna med tydlig struktur och realtids observation.

För att bevisa att simuleringsmodellen är giltig jämförs flera typiska prestandaparametrar som valts i statiska och dynamiska simuleringar med data i Gasturb.
I en statisk simulering, jämför vi flera viktiga prestandaparametrar av modellen med dessa parametrar i Gasturb för att kontrollera riktigheten av den statiska modellen. Tabell 2 visar resultatet av jämförelsen vid konstruktions punkten med H = 0 M, ma= 0, Wf= 0,79334 kg/s under ett dubbel ...

Watch this Scientific Journal Video about A Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine at JoVE.com

A Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine

Här presenterar vi ett protokoll för att bygga en matematisk modell på komponentnivå för en variabel cykel motor.

En snabb metod för modellering av en variabel cykel motor

The variable cycle engines (VCE) that combine the advantages of turbofan and turbojet engines, are widely considered to be the next generation aircraft ...

Denna metod hjälper forskare att snabbt bygga en modell av en flygplansmotor med befintliga motordata. Denna största fördel med denna metod är som inte har några höga krav på den programmeringsteknik som har hänt för traditionell modellering. Innan du påbörjar modelleringen öppnar du GasTurb13 och klickar på Basic Thermodynamics.Välj Cycle Design och öppna demo variabel cykel. Motordesignens punktprestandaparametrar kommer att visas. För att erhålla komponentkartorna klickar du i huvudfönstret på Av design, Mer och standardkartor.Öppna demo variabel cykel och välj LPC, IPC, HPC, HPT och LPT. Om du vill modellera en enda komponent i en variabel cykelmotor öppnar du ett dataanalysprogram och klickar på Simulink. Dubbelklicka på tom modell och klicka på bibliotek för att placera en funktion till modell.Dubbelklickfunktion. Kompressorns termodynamiska ekvation kommer att beskrivas enligt kompressorns arbetsprincip. Klicka på ekvationen och klistra in för att erhålla kompressorns inmatning och utdata.Byt namn på funktionskompressorn. I fönstret för kompressorfunktionen högerklickar du på funktionsnamnet och väljer delsystem och modellreferens och skapar delsystem från val för att maskera modulen. När alla komponenter har modellerats, kombinera utdata för varje komponent med ingången av nästa komponent.Här visas resultaten av jämförelsen vid konstruktionspunkten under ett dubbelbypassdriftsläge som indikerar att det maximala felet för prestandaparametrarna mellan modellen och GasTurb är ett motortrycksförhållande under 2%Här visas ett resultat av jämförelsen vid off-designpunkten, under ett enda bypass-driftsläge. Under dessa förhållanden är det maximala felet en rotationshastighet av lågtrycksaxel strax under 4%I denna representativa acceleration visas decelerationssimulering som bearbetats under ett dubbelbypassläge ingången av bränsleflödet. Dessa rotationshastighet, luftflöde och temperatur innan turbindata visar att modellen kan utföra en acceleration, deceleration simulering.I detta representativa experiment, var variabel cykel motorn driftsläge växlas från enkel bypass-läge till dubbel bypass-läge på fem sekunder för att förhindra att motorn överskrider den begränsade hastigheten under omkopplingsprocessen, en enda variabel sluten slinga kontroll tillämpades på rotationshastigheten av högtrycksaxeln. I denna analys förblev rotationshastigheten på högtrycksaxeln nästan oförändrad under omkopplingen. På samma sätt kan svaret från bränsleflödet, rotationshastighet, luftflöde och temperatur innan turbinen kan observeras.Den acceleration, deceleration och läge byta simuleringsresultat bekräftar att två dynamiska simulering, modellen kan köras korrekt. Att lära sig att välja en specifik eller vanlig arbetsekvation är viktigt, eftersom vanliga arbetsekvationen bidra till att ställa in modellen korrekt. Efter detta förfarande kan andra typer av flygplansmotorer eller gasturbinmotorer modeller byggas.

Research

JoVE Journal

Engineering

Convergent Polishing: A Simple, Rapid, Full Aperture Polishing Process of High Quality Optical Flats &amp; Spheres

Convergent Polishing: A Simple, Rapid, Full Aperture Polishing Process of High Quality Optical Flats & Spheres

Convergent Polering: en enkel, snabb, Full Aperture poleringsprocessen av högkvalitativ optisk Flats &amp; Spheres

Convergent Polishing is a novel polishing system and method for finishing flat and spherical glass optics in which a workpiece, independent of its initial ...

A Method for Studying the Temperature Dependence of Dynamic Fracture and Fragmentation

En metod för att studera temperaturberoendet hos Dynamic Brott och Fragmentation

The dynamic fracture of a body is a late-stage phenomenon typically studied under simplified conditions, in which a sample is deformed under uniform ...

Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

Electron Kana Contrast Imaging för Rapid III-V heteroepitaxiell karakterisering

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

Energy Dispersive X-ray Tomography for 3D Elemental Mapping of Individual Nanoparticles

Energi röntgen Tomography för 3D Elemental Kartläggning av enskilda nanopartiklar

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Avancerade Experimentella metoder för låg temperatur Magnetotransport Mätning av nya material

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

A Fabrication Method for Highly Stretchable Conductors with Silver Nanowires

En Fabrication Metod för Highly sträck ledare med Silver Nanotrådar

Stretchable electronics are identified as a key technology for electronic applications in the next generation. One of the challenges in fabrication of ...

Standardized Method for Measuring Collection Efficiency from Wipe-sampling of Trace Explosives

Standardiserad metod för att mäta avskiljningsgrad från Wipe-sampling av spår Sprängämnen

One of the limiting steps to detecting traces of explosives at screening venues is effective collection of the sample. Wipe-sampling is the most common ...

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

En ny metod för<em&gt; I situ</em&gt; Elektromekanisk karaktärisering av nanoskalaprover

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and ...

Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs

Metod för att registrera bredbands högupplöst emission spektra av laboratorie blixtar

Lightning is one of the most common and destructive forces in nature and has long been studied using spectroscopic techniques, first with traditional ...

Experimental Methods for Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy Combined with Polarization-Variable Laser

Experimentella metoder för spinn - och vinkel-löst Photoemission spektroskopi kombinerat med polarisering-variabel Laser

The goal of this protocol is to present how to perform spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable 7-eV laser ...