软件测试报告v2.docx

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编号密级
阶窗示记

燃气发生真软件
功能测试报告
西北工业大学
单位 编写 校对 审核 会签2014年12月
燃气发生器设计仿真软件功能测试报告

喷管参数计算

发动机推力F
3.5950

燃烧室压强Pc
6.0000

冻结流与平衡流比冲之比Q
0.9732

推进剂特征速度C*
1567. 4500
日♦管参数

喷管数量n
1

喉部半径Rt
11.01339

烧蚀斜率Ek
0.15000

开始烧蚀时间st。
0.00000

膨胀比epsA
6.60000

比冲效率etaF
0.96000

喷管安装角gama
0.00000

喷售出口烧蚀段厚度
1.50000

喷售出口烧蚀段密度
1400.00000

喷管出口膨胀半角
0.17450

喷售出口烧蚀段密度 单位kg/m"3
雇性数值日计算条件
喷管效率计算
确定取消
图9喷管设计界面

2.5 斜切喷管设计
在燃气涡轮系统中，有时使用斜切喷管作为燃气出口，以提供更高的机械效 率。软件提供了斜切喷管设计工具。从“工具”里选择“斜切喷管计算”，弹出 图10所示对话框：
图10斜切喷管计算界面
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按照图示输入斜切喷管数据，依次点击”对称段面积膨胀比计算”、“几何参 数计算”、“推力特性计算”即可计算出斜切喷管的性能数据。
2.6 热力学参数计算
计算算例详细组分如下：
硝化棉(C20.948H25.291O36.738N9.638)硝化甘油(C3H5O9N3)
二甲基二苯月尿(C15H16O1N2)凡士林(Cl8H38)
鞍酸铅(C14H18O9PB1)炭黑(CO
铝粉(L1)三乙醇胺(C6Hl5O3N1)
仿真结果如表1所示：
表1热力学计算算例
特征速度C*(m/s)
1450.1260
比冲 Is(N.s/kg)
2312.8620
比冲1 Is(s)
235.8463
推力系数Cf
1.5949
比热比GAMD
1.2479
面积比Ae/At
6.2503
通过单位喷喉面积的流量
6754.5810
出口速度Ve(m/s)
2217.1970
地面比冲Isg(N.s/kg)
2312.8380
地面比冲Isg(s)
235.8439
设计高度比冲
2217.1970
设计高度比冲IsO(s)
226.0911
真空比冲Isv(N.s/kg)
2406.5980
真空比冲Isv(s)
245.4047
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2.7 燃气涡轮动力计算燃气发生器总体参数预估
燃气发生器参数预估的主要任务是进行燃气发生器的性能，输出燃气发生器 的出口气流参数（速度、温度等）、几何参数、质量流率以及绝热膨胀功等热力 学参数。
测试操作：翻开软件，GUI界面如图11：
图11软件主界面
其中，用粗体Comic Sans MS字体给出默认值的文本框是用于接收用户输入 量的，可在此按照提示的参数名与单位输入设计参数，随后单击“执行计算”按钮, 程序即给出设计结果的计算值，如图12。经校验，输出结果符合实际，计算稳 定、正确。
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图12燃气发生器参数预估结果
涡轮参数预估
涡轮参数预估的主要任务是由涡轮的几何设计参数，计算气流流经涡轮时的 各种参数，以及涡轮设计所需的参考值。
测试操作：
在上述操作的基础上，单击“下一步”按钮，填入所需的几何设计参数，单 击“执行计算”按钮，执行结果如图13。经校验，输出结果符合实际，计算稳 定、正确。
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图13涡轮参数预估结果
273涡轮效率/功率预估
通过涡轮功率效率的计算，可以得到涡轮设计的最终结果，即涡轮的输出功 率、扭矩等参数。继续如上操作，在输入参数框中填入需要的参数，单击“涡轮 功率”按钮，结果如图14所示。
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图14涡轮效率与功率计算结果
274涡轮转速动态响应计算
2.741 测试操作
这一局部按约束涡轮转速的微分方程，结合燃气涡轮内弹道仿真数据进行求 解。首先，在GUI中输入整个系统的转动惯量以及减速比。其次，设置油泵参 数数据，单击“设置油泵参数”按钮，弹出油泵负载计算对话框，如图15。
图15油泵负载设定
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油泵负载的录入有两种方法：对于初步设计计算，可使用“固定负载”选项, 填入相应参数。此方法较为方便快捷，但由于油泵负载扭矩与油泵进出口压强差 值的关系并非严格线性关系，这种方法将造成一定误差；另一种方法是使用实测 得到的负载特性曲线，载入实验数据文件，文件中包含了各个转速下油泵的负载 扭矩。理论上该方法精度较上一种更高，但需要事先得到详细的油泵负载特性曲 线。经试算，转速曲线对油泵负载特性较为敏感，故建议尽量使用第二种方式。 最后，单击“确定”按钮确认参数。
图16涡轮转速动态响应计算结果
下一步，单击“载入内弹道”按钮，载入内弹道仿真模块生成的零维内弹道 数据文件，内弹道数据将实时显示在GUI中。最后，单击“角速度计算”按钮， 程序计算真实环境下涡轮转速曲线，并显示在同一张图中。此时单击“保存计算 结果"按钮可保存算得的内弹道文件，如图16。

结果比照
测试中取两种实际型号燃气发生器/涡轮系统（下文以型号A、B代指），用 实测内弹道数据代替仿真输出的内弹道数据，进行了测试，结果如下：
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表2型号A设计参数
参数
取值
喷嘴喉部半径
0.001415m
喷嘴扩张比
8
进气角
20
转子平均直径
0.1m
叶片rWj
0.0115m
叶片厚度
0.0005m
叶片宽度
0.01m
叶片数
46
涡轮转速（计算）——涡轮转速（试验）
将参数输入程序后，计算所得到的转速曲线与实测转速曲线（通过实测流量 反算得到）比照方下:

图17型号A涡轮转速实测值与计算值比照
此曲线由油泵负载曲线计算而得到，容易看出，在稳定段，计算曲线与实测 曲线符合较好，但启动段与拖尾段，计算曲线出现了一定误差。上文提到，转速 曲线对油泵负载特性较为敏感，启动段与拖尾段的误差，来自于计算所用到的油 泵转速-负载曲线试验曲线一一由于试验条件的限制，当前只有2000-11000r/min 转速下的负载特性，且仅在一种进出口压强下进行了测定，并非如《推力矢量控 制伺服系统》一书所述在多个进出口压强差值下测定。目前来看，本误差难以避 免，但经详细试验、取得更精确的数值后可以修正。
型号B的涡轮几何设计参数与型号A相同，不同的仅包括燃气发生器参数, 如下表：
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表3型号B设计参数
参数
取值
喷嘴喉部半径
0.0015m
喷嘴扩张比
7.86
进气角
20.67
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型号B的计算曲线与实测曲线比照方下列图。可以看出，对于该型号，计算 值与实测值吻合较好，到达了以仿真计算指导试验的使用需求。
——涡轮转速（试验） ——涡轮转速（计算）
图18型号B涡轮转速实测值与计算值比照

2.8常用参数计算
可以计算的常用燃气发生器参数包括燃烧室压强、壳体壁厚、燃烧面积、喉 部半径、质量流率、环境压强、喷管出口压强、比冲、推力、燃速、喷管初始膨 胀半角等等。
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图19可计算的常用参数
绝热层计算
绝热层计算模型采用一维传热与烧蚀模型，可以逐点计算绝热层厚度、以及 耐烧蚀时间等参数。
图20绝热层计算界面
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内容提要:
西北工业大学航天学院（以下简称乙方）根据南京晨光集团有限责任公司（以
下简称甲方）的“燃气发生器设计仿真软件”研制任务，编制了软件功能测试报告。
根据双方技术协议，对“燃气发生器设计仿真软件”软件进行了评价与测试。
主
题
词

更
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更改方法

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2.9 爆破压强评估
图21绝热层计算界面
爆破压强评估程序可以根据塑性流动理论或薄膜应力理论评估发动机可以 承受的最大压强。

2.10 点火器设计
点火器设计也是发动机设计过程中的常用计算。针对端燃药柱燃速逐渐建立 导致初始压力峰较低的情况，内弹道计算程序专门引入了 “点火阶段燃速建立时 间”和“点火开始燃速修正系数”两个参数。设“点火阶段燃速建立时间”为t, “点火开始燃速修正系数”为a,那么仿真计算中，药柱燃速从点火开始的t时间 内燃烧速度从正常燃速的a倍逐渐恢复到正常燃速。例如药柱燃速可以在0-3s 的时间内从正常燃速的0.8倍逐渐提升至正常燃速。
图22点火压力峰修正前后比拟
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3技术指标满足状况
经功能测试，软件技术指标满足状况见表4.
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表4技术指标满足状况
序号
技术指标
满足状况
1
具有基于Windows的装药药形三
维建模功能
具有相应功能模块满足指标
2
具有单燃速装药设计功能
具有相应功能模块满足指标
3
具有双燃速装药设计功能
具有相应功能模块满足指标
4
具有内弹道仿真计算功能
具有相应功能模块满足指标
5
具有绝热层设计功能
具有相应功能模块满足指标
6
具有斜切喷管计算功能
具有相应功能模块满足指标
7
具有点火器设计和喷管设计功能
具有相应功能模块满足指标
8
具有热力学计算功能
具有相应功能模块满足指标
燃气发生器设计仿真软件功能测试报告
4测试总结
经一系列测试，所交付软件运行稳定，功能齐全，具有基于Windows的装 药药形三维建模、单燃速装药设计、双燃速装药设计、内弹道仿真计算、绝热层 设计、斜切喷管计算、点火器设计和喷管设计、热力学计算等技术协议中约定的 全部功能，结果输出正确，满足所有技术指标。该软件中大局部模块与算法已在 国内多个研究所得到广泛应用，反响良好。
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软件随附文档齐全，格式规范，表述清晰。综上，该软件通过功能测试。
燃气发生器设计仿真软件功能测试报告目录
1测试概况1测试概况1
1.1 功能满足状况1问题与解决1
2模块功能测试2总体结构设计优化2
2.1 任意形式的三维装药设计3零维/双燃速内弹道计算4
2.2 热力学参数计算6燃气泯轮动力计算9
2.2.1 燃气发生器总体参数预估9
2.2.2 涡轮参数预估10
2.2.3 涡轮效率/功率预估11
2.2.4 涡轮转速动态响应计算12常用参数计算15
2.3 绝热层计算16爆破压强评估17
2.4 点火压力峰预估错误!未定义书签。
3技术指标满足状况184测试总结19
西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室II燃气发生器设计仿真软件功能测试报告
1测试概况测试概况
西北工业大学航天学院（以下简称乙方）根据南京晨光集团有限责任公司 （以下简称甲方）的“燃气发生器设计仿真软件”研制任务，研制了相应软件。 为了尽可能的找出软件的缺乏，提高软件的质量，促进软件的成功验收，根据双 方技术协议，对“燃气发生器设计仿真软件”软件进行了评价与测试。整个测试 遵循自顶而下、就严不就宽的原那么对软件系统进行考核。
1.1 功能满足状况
为燃气发生器设计仿真研制提供一套仿真分析软件，本系统为设计者提供集 成的优化仿真工具，使得设计者可以在试验之前进行燃气发生器、涡轮、油泵转 速的的性能仿真。
• 燃气发生器总体结构设计和优化；
• 燃气发生器任意形式的三维装药设计；
• 燃气发生器任意形式药柱的燃面退移计算；
• 零维/双燃速内弹道计算模块；
• 热力学参数计算；
• 燃气泯轮动力计算；
• 燃气发生器常用参数计算、绝热层计算、爆破压强评估、点火压力峰值 修正等问题与解决
测试中发现，对话框中有局部的英文注释。按照相关的技术要求，已责令其 对具体的代码做调整，对英文局部进行汉化。
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2模块功能测试总体结构设计优化
根据战术性能指标和以上涡轮参数预估得到的涡轮总体设计参数如燃烧室 压强、质量流率、工作时间等，就可以开始进行涡轮的详细结构设计。
设计人员可以在变量化设计平台上，交互式的构建燃烧室、装药、绝热层、 喷管、点火系统、斜切喷管等部组件的详细二维约束草图和三维详细结构。
・动力系或设计软件-【总收和试1"】曰口口|
口文怦9 «««）视图的 家解⑤ 团体火的发动机设计 工具（I）数格库⑤ 版本 超助国）®a«）-laixi
9 • • X （•）
由＞＜约束：EM, VJue： -5 OOOCOO
日＞＜约束.铅獭高.Value： 2.C0C08
因►，约束，钳36距高，VQue： 6 000000 田,＜妁束£d
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W小C,” ：瓜！时针回转0度；逆时计回转笫。度 E巾i«n_hol.：烦时针回碗度：逆时针回程 田不克体：祁尔差
S卷出气导言：JJS•牯十哂度；逆时计回转; 田火点火器充体：那么针同转0度：逆时计回1 出十点火明：蝴料回转。度：12时斜回转弟f
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日安装药信息
日M装药爹数
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图1燃气发生器二维结构约束草图
2J动力京城设计软件-[无标JS]
口文件任）㈱由⑦出5@）窗口⑦裕助的
|口音・|/船叫昌|曾|
图2燃气发生器三维详细结构
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2.1 任意形式的三维装药设计
:J动力系绘设计软件-【无标数】■□日］
口文件①）视图也选项处国口①）然助电）-JtfJjcJ
j □ j ia | x 殴 01 章?
±向回 lj ojsjj ］回国回剑飞।』r0"（9|
图3设计得到的装药三维详细结构
装药的三维结构模型可以在变量化设计平台上交互式的任意构建，装药设计 支持回转形、翼形、楔形、星形、端面嵌金属丝、等截面拉伸等六种基本特征形 体，它们之间的任意组合和变化可以构成大局部的装药结构。
装药燃烧几何分析方法包括实体造型法（ACIS计算）和体素离散化方法 （GPU计算）两种，两种方法都可以计算得到燃面数据，燃烧过程质量的变化、 质心变化、转动惯量变化等数据，以及燃面上的空间几何数据。
图4装药燃烧几何分析过程
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燃气发生器设计仿真软件功能测试报告

装药计算3二/ 0 口 3D丝昌旗BI

3二/ 0 口 3D丝昌旗BI
0.026
0.024
0.022
0.02
0.018
0.016
0.014
0.012
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002 0

0.026
0.024
0.022
0.02
0.018
0.016
0.014
0.012
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002 0
TeeChart
00.010.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09
肉厚(mm)
序号工ndex
肉厚WebGn)
燃面积岫卜⑵
质量Mp (kg)
自由容积Vc(m"3)
质心Cx (m)
转动惯量Jx (kg. m⑵
转动惯.
1
0.000000
0.027745
5.866450
0. 0000
0.0677
0.0179
0.1
2
0.001761
0.026338
5.782960
0. 0000
0.0665
0.0177
0.1
3
0.003522
0.024931
5.703840
0. 0001
0.0654
0.0174
0.1
4
0.005284
0.023776
5.628350
0. 0001
0.0643
0.0172
0.1
5
0.007045
0.023158
5.555610
0. 0002
0.0632
0.0170
0.1
6
0.008806
0.022184
5.485330
0. 0002
0.0622
0.0168
0.1

序号工ndex
肉厚WebGn)
燃面积岫卜⑵
质量Mp (kg)
自由容积Vc(m"3)
质心Cx (m)
转动惯量Jx (kg. m⑵
转动惯.
1
0.000000
0.027745
5.866450
0. 0000
0.0677
0.0179
0.1
2
0.001761
0.026338
5.782960
0. 0000
0.0665
0.0177
0.1
3
0.003522
0.024931
5.703840
0. 0001
0.0654
0.0174
0.1
4
0.005284
0.023776
5.628350
0. 0001
0.0643
0.0172
0.1
5
0.007045
0.023158
5.555610
0. 0002
0.0632
0.0170
0.1
6
0.008806
0.022184
5.485330
0. 0002
0.0622
0.0168
0.1

「选项
装面量
药和特
装气和周
翻开装药数据
保存装药数据
燃质性
药面燃长
通积烧
取消 I

图5装药燃烧几何分析数据
2.2 零维/双燃速内弹道计算
内弹道计算模块可以进行单燃速和双燃速零维内弹道计算。计算过程中可以 考虑喉部烧蚀、喷管效率、燃烧效率、温度变化、长尾管、反向喷管等多种因素 的内弹道，具有多种形式的燃速输入方式和多种形式的燃面数据输入方式，具有 报表和曲线的选择性输出功能。
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燃气发生器设计仿真软件功能测试报告零维内弹道计菖D: \30八娑收滑试BLS
喷管类型推力终止装置。寓规喷管C有
「长尾管?无「斜切喷管
讨苴方法「瞬时平南压强法
廿 RongeKutta法清除所有曲线
燃速系数a
0.00066
燃速指数n
0.40000
密度d.nx
1600.00000
特征速度C*
1100.00000
燃速温度系数
0.00200
燃气温度1
3768.00000
气体常数Rg
434.23500
定压比热Cp
1300.00000
比热比k
1.16000
推进剂发火点温度
800.00000
属性［数值
□推进南参数日喷管参数
喷售数量n
1
喉部半径Rt
1.41500
烧蚀斜率Ek
0.00000
开始烧蚀时间近。
0.00000
膨胀比epsA
8.00000
比冲效率etaF
0.93000
喷管安装角0. 00000
温度Tig
3768.00000
气体常数Rig
434.23500
定压比热Cpi
3543.00000
定容比热Oi
3334. 00000
比热比ki
1.16000
点火阶段燃速建立时间
10.00000
日点火运气参数
麻的数柄
点火酒减碓
推力终止曲线|
零维内弹道计尊D:\42\si.ple\bls. BLS
「喷营类型「计篁模型
W常规喷管C长尾管
「斜切喷管C瞬时平衡压强法
6 RongeKutta法属性数值
时间⑸
-2-3.395
-4.791-6.186
-7.582-8.977
-9.025-9.072
-9.118-9.162
-9 205-9.247
-9.287- 9 326
-9.365-9.402
-9.438-9.473
-9.507-9.54
2 3 3 27 0 3 6
S 6 6 8
9 9 9 9
序号工ndex
时间t(S)
压强Pc (NPa)
推力F OdO
质量流率Mr Ocg/s)
推力冲量IfOdL s)
推力系数C£
喉部面积At Gn*2)
肉屋Teb Gn旦
1
0.0000
2.00000
0.015558
0.0114
0.0002
1.3298
0.0000

2
0.0866
3. 39546
0. 029722
0.0194
0.0005
1.4963
0.0000
中
3
0.1815
4.79092
0.043886
0.0274
0.0009
1.5659
0.0000
0. 0001

0. 2955
6. 18639
0 058050
0.0354
0.0015
1.6040
0.0000
0.0001 ▼ I
从第口 ■ aiMfo-.记录［F -倍压碱据表|［o- 丽间步长整起|
翻开内弹道文件|
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图6单燃速零维内弹道计算结果
日高运速推进剂参数

▲

燃速系数a
0.00215

燃速指数n
0.25000

密度dens
1600.00000

特征速度C*
1100.00000

燃速温度系数
0.00200

燃气温度Tg
1400.00000

气体常数Rg
434.23500

定压比热Cp
3543.00000

比热比k
1.16000

□低燃速推进剂参数

燃速系数a
0.00119

燃速指数n
0.36000

密度dens
1600.00000

特征速度C*
1100.00000

燃速温度系数
0.00200

燃气温度Tg
1400.00000

气体常数Rg
434.23500

定压比热Cp
3543.00000

比热比k
1.16000

□喷售参数

喷卷数量n
1
▼1

唯2E生杼R +
2 nnnnn

速燃装药数据媛燃装药数据
清空曲线时间(s)
—
2
—
4.182
—
6.364
—
8.546
—
1C.72S
—
15.052
—
IE C52
—
15 C52
—
1S,C51
—
1S,C89
—
1E.C&8
—
lE.c&e
—
1£⑼
—
IE C82
—
1E.C75
—
1E.C77
—
1E 074
—
15,071
—
1S,068
—
1S,06S
—
15.C61
—
15.058

序号Index
时间t(s)
压强Pc (MPa)
推力F OcN)
质量流率Mr (kg/s)
推力冲量If (kN. s)
推力系数C£
喉部面积At以
1
0.0000
2. 00000
0.029187
0.0228
0.0000
1.2487
0.0000
2
0.0421
4. 18211
0.074538
0.0478
0.0022
1.5251
0.0000
3
0.0890
6. 36421
0. 119609
0.0727
0. 0067
1.6081
0.0000
4
0.1463
8. 54632
0.164679
0.0976
0.0149
1.6488
0.0000

n 99/1 n

n onavcjn
n 199R
n H9Q/1
1 A79O
n nnnn
从第p 到第|9013 记录|10 倍压缩数据表|翻开内弹道文件|保存内弹道文件|内弹道计篁|导出计篁结果数据|翻开试将曲线|
图7双燃速零维内弹道计算结果西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室

图8喷管结构图
燃气发生器设计仿真软件功能测试报告
2.3 喷管设计
喷管设计首先是选择一种喷管型式，利用系统提供的交互式设计环境构造喷 管,一些主要参数通过计算给出，大量的其它参数采用经验或半经验的方式确定。 喷管的型式很多，这里主要根据比冲的计算方式的不同分为三类，即：常规喷管、 长尾喷管和斜切喷管。由于这里是总体初步设计，喷管结构的详细参数，由用户 根据经验加以确定。
根据喷管的特点，我们发现大型发动机喷管主要由：收敛段绝热层、喉衬、 喉衬背壁套筒、扩散段和将这些局部连接成一个整体的结构件等五局部组成。结 构的主要尺寸包括内型面数据，接头数据和各个局部的结构数据。本系统将喷管 数据分为型面数据、结构件局部和热防护局部。喷管设计对话框如图9所示。
西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室