1、收稿日期：2023-02-21基金项目：清华大学自主科研计划（20214180061）资助作者简介：杨佳利（1988），男，博士，副研究员。引用格式：杨佳利，曹文宇，姚舜，等.模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统J.航空发动机，2023，49（3）：9-16.YANG Jiali，CAO Wenyu，YAO Shun，et al.Real-time model-driven aeroengine immersive virtual operation systemJ.Aeroengine，2023，49（3）：9-16.模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统杨佳利，曹文宇，姚舜，刘凯
2、，谢鹏福，胡忠志（清华大学 航空发动机研究院，北京 100084）摘要：为实现多学科信息的融合与沉浸式表达，针对当前虚拟现实技术在航空发动机领域的应用存在多学科信息综合表达不足、仿真实时性低等问题，开发了一种跨学科异构模型集成仿真的航空发动机沉浸式虚拟运行系统。在信息融合与实时交互方面，研究航空发动机气动热力性能实时仿真、实时控制、参数化结构建模与仿真、数据实时共享与多学科联合仿真集成等技术，实现了模型实时驱动的航空发动机虚拟运行功能；在数据可视化及3维渲染方面，研究结构数据轻量化处理技术、实时渲染优化技术，对温度、压力等流场数据进行实时映射，实现了逼真、流畅的沉浸式实时渲染效果。基于上述研究
3、工作，在中国首次开发了1套由模型实时驱动、跨学科数据集成的航空发动机沉浸式虚拟运行系统，结果表明：该系统实现了发动机结构、系统和性能模型数据的关联与交互。相关技术和成果可用于协同设计、沉浸式评审、虚拟培训等场景，为未来实现数字孪生、虚实融合的数字发动机研发提供关键技术支撑和参考。关键词：模型驱动；实时仿真；数字孪生；视景仿真；沉浸式表达；虚拟运行；航空发动机中图分类号：V233.7文献标识码：Adoi：10.13477/ki.aeroengine.2023.03.002Real-time Model-driven Aeroengine Immersive Virtual Operation S
4、ystemYANG Jia-li，CAO Wen-yu，YAO Shun，LIU Kai，XIE Peng-fu，HU Zhong-zhi（Institute for Aero Engine，Tsinghua University，Beijing 100084，China）Abstract：To achieve the fusion and immersive expression of multidisciplinary information and address the problems of insufficient expression of multidisciplinary i
5、nformation integration and inadequate real-time performance of virtual reality technology in the field of aeroengine,an immersive virtual operation system for aeroengine was developed based on cross-disciplinary heterogeneous model integrationsimulation.In terms of information fusion and real-time i
6、nteraction,real-time simulation,real-time control,parametric structure modelingand simulation,real-time data sharing and multidisciplinary integration simulation technologies of aerothermodynamic performance werestudied to realize the real-time model-driven virtual operation of aeroengine.In terms o
7、f data visualization and 3D rendering,structural data lightweight processing technology,real-time rendering optimization technology,real-time mapping of flow field data such as temperatureand pressure,etc.were studied to achieve realistic and smooth immersive rendering.Based on the above research wo
8、rk,for the first time inChina,a model-driven real-time immersive virtual operating system with cross-disciplinary data integration for aeroengine was developed.The results show that the system realizes the data association and interaction of engine structure,system and performance model,the related
9、technologies and achievements could be used in collaborative design,immersive review,virtual training,etc.providing key technicalsupport and reference for future digital engine development featuring digital twins and virtual reality integration.Key words：model-driven;real time simulation;digital twi
10、n;visual simulation;immersive expression;virtual operation;aeroengine第 49 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.49 No.3Jun.2023航空发动机Aeroengine0引言航空发动机是复杂的多学科集成动力装置，涉及气动热力学、结构力学、燃烧学、传热学、控制理论等众多学科，数字化转型是实现技术发展模式变革，加速解决航空发动机卡脖子问题的关键技术途径1。航空发动机试车具有危险度高、操作难度大、成本高等问题，使用实时高性能计算和虚拟现实等先进信息化技术，能够缩短研发周期，节省研制成本。在 中华人民共和国国民经济和社会
11、发展第十四个五年规划航空发动机第 49 卷和 2035 年远景目标纲要 中，虚拟现实技术被列入“建设数字中国”数字经济重点产业2。虚拟现实技术与工业相结合，具备高效、高性价比的优势3。在航空航天领域，能够实现航空发动机沉浸式设计，催生可视化智能展示技术，提高管理水平4。虚拟现实技术凭借成本低、仿真度高的特点已被广泛应用5。RR公司6在组装最新的发动机组件时，使用虚拟现实技术协助员工工作，工程师将在虚拟环境下验证所有组件拥有足够空间和缝隙实现顺序安装，并可得到安装过程的干涉警告；PW公司7通过收集F119涡扇发动机数据，创建物理部件的数字副本进行数字孪生研究，更加准确地预估部件寿命、改善机动性能
12、，实现长期运行和维护成本的降低；俄罗斯联合发动机制造集团8将虚拟现实技术融入发动机研制，已在苏-57战斗机的发动机开发过程中应用，可有效降低开发成本，缩短产品研发周期；北京航空航天大学仿真中心1于2005年引进高性能集群计算机系统和虚拟现实系统，推动了发动机向信息化、数字化发展；沈景凤等9搭建了航空发动机半物理仿真试车系统，利用洞穴状自动虚拟系统系统（CaveAutomatic Virtual Environment，CAVE）实现试车数据3维实时可视化；任浩男10对CFM56-7B发动机进行建模，开发了1套支持碰撞检测的虚拟维修系统；高颖等11针对教学需求，研究数据手套交互、立体显示技术，将
13、虚拟现实技术用于课堂教学，达到了良好的教学效果。上述研究将虚拟现实技术应用于航空发动机设计和研发过程中，有效提高了工作效率和质量，验证了虚拟现实技术在航空发动机研发过程中的重要作用。然而，由于虚拟现实技术在航空发动机工程应用的研究案例较少，相关研究工作主要局限于单一学科信息传递，存在系统功能较为单一、拓展性和兼容性较弱，不能满足实际工程应用过程中多学科信息融合、实时仿真渲染的需要。此外，画面逼真度作为虚拟现实系统沉浸感的重要指标之一12，在上述案例中也少有探讨。本文主要介绍了模型实时驱动的航空发动机沉浸式交互虚拟运行系统的组成及研究过程中的关键技术。在实现该系统功能基础上，面向教学培训、维修验
14、证的行业需求，提出系统未来升级方案及研究方向。1总体设计本文设计的虚拟运行系统，面向航空发动机设计的实际需求，用于展示和验证自适应变循环发动机原理、先进性和综合性能，同时使用虚拟现实技术设备提高用户沉浸感。整体方案设计效果如图1所示，采用操控台和立体显示屏幕的组合方案。其中操控台是系统的运算中心，配备状态显示屏、实体油门杆；立体显示屏幕是视觉输出和人机交互的主要设备，支持立体显示技术、配备动作捕捉硬件。部署完成后，用户通过操控台油门杆输入接口操控发动机运行状态，实现发动机起动、加减速、加力、模式切换等功能，并实时查看各状态性能参数；立体显示屏幕提供 3维沉浸式视觉效果，1 1呈现发动机结构、运
15、行状态的物理场数据。采用基于从外向内追踪13技术的动作捕捉设备，沉浸式人机交互如图 2 所示。用户可以隔空操作虚拟空间中的 3 维对象，实现漫游、模型剖切等功能，观察内部运行状态、拆装发动机部件。虚拟运行系统包括发动机气动热力性能实时仿真模型、全包线实时控制器、3维结构模型、3维视景显示系统、操控台等部分。虚拟运行系统模块关系如图3所示。操控台通过油门操纵杆给出发动机运行图1整体方案设计效果图2沉浸式人机交互10杨佳利等：模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统第 3 期指令，操控软件通过以太网将发动机指令发送给发动机实时控制器，其根据油门杆指令信号和传感器反馈信号，通过控制计划和控制策略计
16、算得到各部件控制指令信号，发动机性能模型仿真计算机根据各部件控制信号和当前工作状态，计算得到最新的截面参数和发动机状态，其数据可用于传感器信号模拟和3维视景显示，同时实时记录相关仿真数据。2发动机实时仿真软件2.1发动机性能实时模型发动机气动热力性能模型用于表征发动机对象特性的动力学模型，以发动机控制指令和飞行条件为输入，根据发动机当前的运行状态，计算和更新下一时刻的状态变化，输出发动机转速、各特征截面状态、内部状态和响应推力等信号。其中，发动机可测信号包含转速、总温、总压等，给至发动机实时控制器，用于实现发动机闭环控制功能；有些非可测信号，如空气流量、流场温度和压力等信号，给至视景仿真系统，用于实时渲染。发动机动力学模型建模方法流程如图4所示。根据各部件特性参数、变量平衡约束关系计算下一时刻状态变化值。为保证发动机模型的收敛，首先对模型的输入进行保护，防止因错误的输入变化导致模型出现异常。模型计算中，迭代参数为：压气机增压比、风扇增压比、高压涡轮落压比、低压涡轮落压比。将迭代参数代入部件气路关系（图4）中，根据风扇特性、高压压气机特性、高压涡轮特性、低压涡轮特性、燃烧室总压恢复系数特
