提高渦輪機(jī)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(jī)會(huì)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(dòng)機(jī)需要在此條件下仍能以極高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。流經(jīng)渦輪的廢氣溫度會(huì)高達(dá)幾百攝氏度。設(shè)計(jì)渦輪機(jī)時(shí)需重點(diǎn)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(dòng)機(jī)組件的熱膨脹會(huì)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(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。一般說來，航空渦輪機(jī)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(jì)方案，應(yīng)當(dāng)考慮整個(gè)系統(tǒng)及其物理結(jié)構(gòu)，流體動(dòng)力，熱效應(yīng)以及多物理場(chǎng)條件下的結(jié)構(gòu)變形等各種因素。

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

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

  多物理場(chǎng)仿真是由嵌入到MSC.P-thermal的特定FORTRAN 程序庫驅(qū)動(dòng)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(jìn)行協(xié)同仿真。對(duì)Flowmaster的調(diào)用是通過臨時(shí)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(duì)元器件屬性及仿真數(shù)據(jù)的設(shè)置、運(yùn)行和結(jié)果輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)各部分元器件流體仿真過程的控制。

系統(tǒng)級(jí)仿真
   為保證整個(gè)設(shè)計(jì)的精確性，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)—包含了定子和轉(zhuǎn)子的渦輪機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模。二次進(jìn)氣系統(tǒng)，冷卻回路，主動(dòng)間隙控制設(shè)備和主流道也是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)級(jí)分析要考慮的。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的仿真需要考慮飛機(jī)在待機(jī)、起飛、巡航、進(jìn)場(chǎng)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(gè)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(chǎng)求解器通過自動(dòng)的界面程序進(jìn)行控制和管理的。

結(jié)論
   Avio公司的多物理場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法已經(jīng)通過驗(yàn)證，利用此方法能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段早期更好地理解渦輪機(jī)的散熱過程。同時(shí)此方法也便于對(duì)幾何圖形、材料屬性、冷卻氣流進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙的控制。總之，在設(shè)計(jì)階段的早期，多物理場(chǎng)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(duì)于限制航空發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放具有重大意義。