航空发动机主燃烧室试验数据库的构建

林宏军，马宏宇，程明

（中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳 110015）

0 引言

航空发动机主燃烧室中的燃烧过程非常复杂，包括气体流动和掺混、燃料喷射和混合（液体燃料还有雾化和蒸发过程）、化学反应、燃气的辐射和对流、传热和传质等各种现象[1-2]。由于主燃烧室内燃烧过程的复杂性，难以完全掌握燃烧各过程的机理，因此,以往燃烧室的设计主要依靠大量的试验和经验积累[3]。随着燃烧技术的基础研究和应用研究不断完善和发展，对燃烧现象的理解进一步深入，研究手段、计算机技术的提高以及计算燃烧学的发展，使主燃烧室设计达到了经验分析、试验验证和计算分析相结合的水平。但是经验分析、计算分析的准确度仍需通过大量的试验数据进行修正，主燃烧室的设计方案亦需通过试验进行验证，燃烧试验对于燃烧室的机理研究和型号研制仍具有重要作用。

随着航空发动机技术的发展，主燃烧室研制过程中试验分类细化，试验数据量随之增加，如何集中、有效地保存和管理燃烧试验数据，提高试验数据对燃烧室设计的指导作用，成为主燃烧室设计和试验的重要研究方向。本文主要针对主燃烧室试验的特点，结合数据采集和管理的实际需要，对构建航空发动机主燃烧室试验数据库的关键技术和开发中应考虑的问题进行了阐述。

1 主燃烧室试验项目

在主燃烧室设计过程中，试验涵盖主燃烧室流场结构、零部件性能、燃烧室综合性能、燃烧室结构强度等多方面内容[4]。由常温、常压到降压模拟（高温高压）状态，最终达到全温、全压的试验状态。按照设计研发的过程，通常将主燃烧室研制划分为5个阶段：方案设计、详细设计、性能考核/排故、定型生产和燃烧室发展阶段。在主燃烧室研制过程中主要开展的试验项目以及与其对应的研究阶段见表1。

表1 主燃烧室主要试验项目

2 主燃烧室试验数据库设计思路

2.1 数据库设计需求分析

主燃烧室试验数据库的设计目标是储备试验数据和对比、总结相关规律，以用于指导主燃烧室的设计和优化。为此，试验数据库应初步实现对包括原始数据、文本、图片/图纸、录像、声音等在内的试验数据进行分级管理、搜索、调取和应用的功能，并在设计上满足如下要求。

（1）具有动态建库、数据分类管理、数据导入导出、数据查询、数据分析与处理功能，以及实现系统的管理、数据备份、权限控制功能及其应用[14－15]；

（2）对原始数据(经程序处理过的提供给设计的数据)完全保存，并可根据需求进行提取和处理；

（3）良好的数据管理和后处理功能，数据管理灵活，能够有选择性采用多种方式进行数据处理，可采用列表、曲线或图像（包括云图）等方式进行显示；

（4）可以对多组试验数据进行同时显示和比较；

（5）用户界面简单明了，整洁实用；

（6）数据库自身具有良好的兼容性、开放性、可维护性和扩充性；

（7）具有良好的保密性，针对不同用户设置不同权限，根据使用部门的不同制定不同的管理界面和数据查询界面，便于不同用户开展工作；

（8）实现客户端与服务器的交互，支持多用户并行操作，可以有选择地处理和下载数据。

2.2 数据库结构

为实现数据库内数据的高效使用、灵活管理、支持多用户操作，并尽可能地简化数据库结构，在试验数据库的设计中采用B/S（客户端浏览器——服务器）数据库构架[5-6]，如图1所示。其中数据库包含试验的全部数据，是数据交互的基础。业务逻辑层（或业务服务器）通过“分级权限管理”的机制来管理数据的入库存储、调取和处理，并对数据库用户的权限进行管理。界面层是使用层面，是用户与数据库交互的界面，由于各用户的需求或权限的不同，界面层将实现不同应用功能。

图1 B/S模式的数据库架构

2.3 数据构成分析

主燃烧室试验数据库中管理的内容应包含试验数据和试验相关信息，数据类型涵盖试验数据、数组、文本、图片/图纸、视频、音频等多种形式，主要内容如下[11-13]。

（1）试验任务信息（试验的任务书和大纲）。

（2）试验件信息（试验件的名称、结构参数、特征参数、图纸，同一编号试验件不同状态下的结构对比等）。

（3）试验台和测试能力信息（试验台的能力和可进行的试验项目、测试设备数据、实时状态等数据）。

（4）试验标准和测量标准。

（5）试验类型信息（例如性能试验、结构试验等）。

（6）试验信息（包含试验状态、设备状态、试验人员、试验中出现的现象和排故过程）。

（7）试验测试数据（经过2次仪表处理的原始数据、图表等）。

（8）试验分析数据（分析处理后的试验数据、曲线和图像等）。

相关数据在试验数据库中以结构树的形式进行管理,数据的层次和相互关系如图2所示。在层次结构中，任务的来源（项目）为试验数据管理的顶层，在同一任务来源中可以有多项试验任务（以试验编号区分）；1项试验任务可以分为多个试验项目；每个试验项目中包含同一类试验的1次或多次试验数据记录；每次记录数据有惟一的编号确定，同时记录数据亦可为多组试验数据构成数据集。而分析数据是在测试数据的基础上处理获得的图表、曲线或云图。

图2 数据关系

3 数据库基本功能的构建

结合不同用户对数据库功能的需求，主要针对数据的管理、查询、处理和权限管理等数据库功能进行设计和开发。

3.1 数据管理功能

数据管理功能主要实现数据管理人员对数据库系统的维护和数据入库等，主要包括如下基本功能。

（1）数据信息的建立和数据库属性定义。

a.预先建立数据库管理所必需的基本信息，为数据的入库管理、数据的划分和在数据库中规范使用基本信息给出关键词。

b.定义数据库的属性。对试验数据库的一些特性通过定义进行确定和修改，实现对试验数据库的灵活使用和管理。

（2）数据入库和建立数据关系。

a.实现数据实时入库和文件数据的入库功能。实时入库是指利用分布式网络，将经过数采程序计算后的原始数据，通过网络传输并按照其属性和已规定的固定格式分别入库，实现数据的实时采集和入库。文件入库是指将数据按一定的语法规范整理为文件，通过导入程序的解析将文件中的信息按指定的数据属性分解为数据、数组、字符、图片、图像、文档等类型入库，为数据库建立数据资源。试验件、试验设备、试验标准、试验任务书和试验大纲等文本文件和图片等数据通常只能采用文件入库。

b.建立数据关系。为管理、查询和数据应用建立对应关系，数据的关联关系应在数据入库时建立。相关数据建立对应关系，如试验说明与相关的试验数据关系、试验数据与对应的试验分析数据关系等。

3.2 数据查询功能

数据查询是数据库系统应用的基础，试验数据库应具备以下查询功能[7]。

（1）支持对元数据的多种查询方式。

能够对数据进行层次查询、条件查询等多种方式查询，并可对查询出的数据进行一定条件的2次过滤筛选。能够对各种数据进行关联查询，即通过1种数据查询到相关联的数据，包括一对一、一对多、多对一等方式。

（2）支持对多种类型元数据的查询。

能够对多类型的元数据进行查询，包括字符、数据、多维数组、文档、图片、图像等，并能按用户需求对数据进行动态回放；能根据用户的权限和需求对查询数据按用户选择和要求的格式输出到文件，以提供其他分析使用；可对图片输出，并且能够为后置处理提取相应的数据进行绘图。

3.3 数据处理功能

试验数据大多以数据流的形式存在，只有将试验数据按照一定要求处理为曲线、分布图像、云图等形式，才能为数据提供最直观的分析方式，作为试验数据库的主要功能，数据处理功能应满足如下要求。

（1）图形处理能力。

a.曲线处理能力：对选择的数据按需要进行组合、排序，并绘制X Y图、等值线图（2 D图）等多种曲线输出；能够以不同颜色或线形区分多组曲线，能够将多条曲线分多个窗口显示，也可将多组曲线在同一窗口对比显示。

b.特性曲线的定制：通过定制建立各特性线（如燃烧室进口速度与点火余气系数曲线）的数据关系，用户在查询及选择出分析所需的数据后，通过相应的特性线控件即可绘制出所需特性线。

c.特征场的处理能力：针对主燃烧室试验中对燃烧室出口温度场、燃烧效率分布、燃烧室壁温场等特征场的关注，在主燃烧室试验数据库设计中力求实现在试验件空间坐标与试验测量数据间建立对应场分布的显示，显示形式可以为云图、等高线图或标注等高线图，其功能可实现单次试验数据的处理，亦可将多次试验的结果分多个窗口显示。数据库的云图绘制功能如图3所示。

图3 数据库的云图绘制功能

（2）数学处理功能。

系统应能够对试验数据进行数学处理，以便设计人员能够对试验数据进行一定分析，并在数学处理后对数据进行再绘图、曲线外推和规律总结。

a.系统应能实现对查询出的数据按用户需要进行组合、排序、筛选，能够进行求和、求平均值、插值、拟合、平滑等多种数学处理。

b.在系统中应能够对数据进行数学公式计算，允许手工建立数学计算公式，并能对其进行语法检查；在数据查询中可显示已建立的数学计算公式，并可选择相应数学计算公式，将选择的数据带入到计算公式进行计算分析。

3.4 权限管理功能

为了确保数据安全及数据库系统的稳定，在试验数据库的构建过程中应考虑对不同用户进行身份登记和确认，并对其权限进行控制。

（1）用户权限管理。

根据用户身份和对试验数据库使用需求的不同，建立不同的使用权限的账号。主要包括数据库管理、试验室管理、试验室、设计室管理、设计室、试验管理用户，除数据库管理用户可实现对数据库的全局管理和权限分配外，其他用户只能对各自所涉及的数据进行处理、浏览或进行其他操作。

（2）域名控制。

域名控制是对在1个工作域的用户赋予数据管理权限或浏览权限，限制或阻止其他工作域的用户访问数据库。

3.5 数据备份与恢复

试验数据库系统应定期对数据库中的数据进行备份，确保数据库在出现问题时数据及时恢复，防止由于系统出现意外故障而造成数据信息丢失。

4 数据库系统的实现

航空发动机主燃烧室试验数据库系统依据B/S架构进行设计和构建，设置独立的服务器，并采用域名限制的安全防护措施，具有较好的网络交互性能和安全性；数据库的后台软件采用Oracle数据库系统，服务器操作系统为Windows操作系统，从而确保软件的可移植性、安全和效率；同时，基于面向对象和可视化技术的用户界面的开发，系统软件的编程采用JAVA语言[8-10]。

5 结束语

建立航空发动机主燃烧室数据库,可以集中大量试验数据并有效管理，实现试验数据快速查询和有效分析。通过试验数据的不断积累、规律的不断总结,可为发动机主燃烧室设计提供可靠、丰富的数据基础,并为主燃烧室的仿真设计提供必要依据；同时通过长时间使用，主燃烧室数据库的功能也将更加完善。

[1]侯晓春,季鹤鸣，刘庆国，等.高性能航空燃气轮机燃烧技术[M].北京：国防工业出版社,2002:1-5.

HOU Xiaochun, JI Heming, LIU Qingguo, et al. Combustion technology for high performance aviation gas turbine [M].Beijing：Defense Industry Press，2002:1-5. (in Chinese)

[2]林宇震,许全宏,刘高恩.燃气轮机燃烧室[M].北京：国防工业出版社，2008:1-3.

LIN Yuzhen, XU Quanhong, LIU Gaoen. Gas turbine combustor [M]. Beijing：Defense Industry Press, 2008:1-3. (in Chinese)

[3]金如山.航空燃气轮机燃烧室[M].北京：宇航出版社,1988:7-8.

JIN Rushan. Gas turbine combustor [M]. Beijing：China Astronautic Press,1988:7-8. (in Chinese)

[4]胡正义，汪义军，赵清杰.航空发动机设计手册：第九册[M].北京：航空工业出版社,2000：437-442.

HU Zhengyi, WANG Yijun, ZHAO Qingjie. Aircraft engine design manual: 9th album [M]. Beijing ：Aviation Industry Press，2000:437-442. (in Chinese)

[5] Kroenke D M, Auer D J .数据库原理[M]. 冯飞译. 北京：清华大学出版社，2011：12-17.

Kroenke D M, Auer D J . Database concepts [M]. Feng fei,translated, Beijing ：Tsinghua University Press，2011:12-17.(in Chinese)

[6]郑若忠,宁洪.数据库原理[M].长沙:国防科技大学出版社,1998:10-13.

ZHENG Ruozhong, NING Hong. Database concepts [M].Changsha：National Defense Science and Technology University Press,1998：10-13. (in Chinese)

[7]何琳楠,刘振兴.航空发动机试验数据库的构建[J].燃气涡轮试验与研究，2010，23（4）:57-60.

HE Linnan, LIU Zhenxing. Construction of aeroengine test database [J]. Gas Turbine Experiment and Research，2010，23（4）:57-60. (in Chinese)

[8]梁陈剑.JDBC3.0数据库开发与设计[M].北京：希望电子出版社2001：45-56.

LIANG Chenjian. JDBC3.0 database development and design [M]. Beijing：Hope Electronic Press，2001: 45-56.(in Chinese)

[9]李静,李逢春.面向对象的航空发动机试验数据库系统[J].航空发动机，2004，30（2）：39-41.

LI Jing, LI Fengchun. Object-orientated database system for aeroengine test [J]. Aeroengine, 2004,30（2）：39-41. (in Chinese)

[10]杨占才,陈超，王立洁，等.一个用于航空发动机试车的数据库系统[J].测控技术，2004，23（1）：1-2.

YANG Zhancai, CHEN Chao, WANG Lijie, et al. A database system for aeroengine test [J]. Measurement ＆ Control Technology, 2004，23（1）：1-2. (in Chinese)

[11]郭淑芬,肖陵,关向凯.航空发动机数据库逻辑结构的研究[J].北京航空航天大学学报，1999,25（1）:34-36.

GUO Shufen, XIAO Ling, GUAN Xiangkai. Research on logical structure of aeroengine data base[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,1999，25（1）:34-36. (in Chinese)

[12]郭淑芬,肖陵.航空发动机数据库关键问题的研究[J].推进技术，1998,19（6）:80-82.

GUO Shufen, XIAO Ling. Research on key question of aeroengine database [J]. Journal of Propulsion Technology，1998，19（6）:80-82. (in Chinese)

[13]曹阳,李文峰,陈震宇,等.航空发动机试验数据采集分析系统设计与实现[J].航空发动机，2010，36（6）:36-38.

CAO Yang, LI Wenfeng，CHEN Zhenyu, et al. Design and realization of test data acquisition analysis system for aeroengine[J]. Aeroengine, 2010，36（6）: 36-38. (in Chinese)

[14]陈志英，李焕.航空发动机可靠性参数数据库的设计[J].燃气涡轮试验与研究，2003，16（3）:35-37.

CHEN Zhiying, LI Huan. The design of reliability parameter database for aeroengine [J]. Gas Turbine Experiment and Research，2003，16（3）：35-37. (in Chinese)

[15]刘灵霞，秦蕊，彭仁强.基于Oracle平台的发动机试验数据库系统构建[J].燃气涡轮试验与研究，2012（B12）：48-51.

LIU Lingxia, QIN Rui, PENG Renqiang. Construction of an aeroengine test database system based on oracle software [J].Gas Turbine Experiment and Research，2012（B12）：48-51.(in Chinese)