一種多噴管火箭或導彈尾焰流場計算方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種應用于液體火箭或導彈發(fā)動機技術、仿真計算等研究領域的計算 方法；特別是一種多噴管火箭或導彈尾焰流場計算方法。
【背景技術】
[0002] 火箭或導彈發(fā)動機尾焰流場的測量和計算一直都是液體火箭或導彈、固體火箭或 導彈和氫燃料火箭或導彈方向的一個重要研究課題。
[0003] 上述課題研究成果主要有以下幾個方面的應用：一是研究得到尾焰特性及其計算 方法用于追蹤大型火箭和導彈威脅；二是用于研究尾焰對無線電信號衰減的影響，尾焰產 物中含有大量的原子和自由電子，無線電信號穿過尾焰時會受到這種等離子體環(huán)境的嚴重 影響。
[0004] 隨著航天任務需求和火箭或導彈技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)在和未來使用火箭或導彈的 一級動力系統(tǒng)均由多噴管發(fā)動機并聯(lián)組成，因此研究多噴管發(fā)動機尾焰流場特性具有重要 意義。由于實驗測量發(fā)動機尾焰流場周期長、難度大、費用高，而隨著計算機性能的不斷提 高，仿真計算一直是發(fā)動機尾焰流場特性研究的重要有效手段。
[0005] 現(xiàn)有的多噴管火箭或導彈尾焰流場計算方法主要有如下幾種：
[0006] 1.采用半經驗公式模型模擬發(fā)動機出口流場參數(shù)分布，以此作為入口邊界條件對 尾焰流場進行仿真計算。
[0007] 上述方法計算效率高，缺點是由于計算過程忽略了化學反應機理和燃燒室內部燃 燒狀態(tài)對尾焰流場的影響，導致計算得到尾焰流場誤差較大。
[0008] 2.利用燃燒室熱力計算求解質量守恒方程、能量守恒方程、壓力平衡方程和化學 平衡方程得到組分和溫度分布，以此作為入口邊界條件從發(fā)動機喉部或發(fā)動機出口開始計 算尾焰流場。
[0009] 該方法考慮了化學反應機理對尾焰的影響，缺點是將三維流動簡化成一維流動帶 來了很大誤差，同時將發(fā)動機內部燃燒過程簡化為平衡流動同樣帶來較大誤差。也即忽略 了發(fā)動機內部燃燒狀態(tài)對尾焰流場的影響。
[0010] 3.發(fā)動機內部和尾焰流場的一體化仿真計算。
[0011] 該方法考慮了化學反應機理和發(fā)動機內部燃燒狀態(tài)對火箭或導彈尾焰流場的影 響，主要解決了單噴管發(fā)動機尾焰流場計算問題，充分考慮了發(fā)動機內部燃燒狀態(tài)對尾焰 的影響；缺點是由于不能忽略化學反應而無法用于研究復燃對火箭或導彈尾焰流場特性影 響，且計算區(qū)域網格構建復雜，針對多噴管流場計算時存在大量重復計算、浪費計算資源的 問題。

【發(fā)明內容】

[0012] 本發(fā)明要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足，而提供一種多噴管火箭或 導彈尾焰流場計算方法，該多噴管火箭或導彈尾焰流場計算方法計算精確、充分考慮化學 反應和發(fā)動機內部燃燒狀態(tài)影響、能用于復燃對尾焰流場特性影響研究、便于計算網格構 建、能夠節(jié)省大量資源。
[0013] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：
[0014] -種多噴管火箭或導彈尾焰流場計算方法，包括如下步驟：
[0015] 步驟1，火箭或導彈發(fā)動機內部燃燒流場計算區(qū)域網格構建：只針對一臺發(fā)動機 的內部燃燒流場計算區(qū)域進行網格構建。
[0016] 步驟2,火箭或導彈發(fā)動機內部燃燒流場計算：基于步驟1中構建的發(fā)動機內部燃 燒流場計算區(qū)域網格，詳細考慮化學反應應機理，只對一臺發(fā)動機內部燃燒流場進行仿真 計算，得到發(fā)動機內部參數(shù)的詳細分布；發(fā)動機內部參數(shù)的詳細分布包括發(fā)動機喉部截面 參數(shù)分布和發(fā)動機出口截面參數(shù)分布。
[0017] 步驟3,火箭或導彈尾焰流場計算區(qū)域網格構建。
[0018] 步驟4,火箭或導彈尾焰流場計算：基于步驟3中構建的火箭或導彈尾焰流場計算 區(qū)域網格，以步驟2中得到的發(fā)動機喉部截面參數(shù)分布或發(fā)動機出口截面參數(shù)分布為入口 邊界條件，對火箭或導彈尾焰流場進行計算。
[0019] 所述步驟1中，對一臺發(fā)動機的內部燃燒流場計算區(qū)域進行網格構建時，需考慮 噴嘴分布的對稱性；當噴嘴呈對稱性分布時，對整個發(fā)動機采用對稱性網格構建；當噴嘴 分布不對稱時，對整個發(fā)動機進行全尺寸網格構建。
[0020] 所述步驟4中，當計算含有該型號發(fā)動機的其他型號火箭或導彈尾焰流場時，以 該型號發(fā)動機內部燃燒流場計算得到的發(fā)動機喉部截面參數(shù)或者發(fā)動機出口截面參數(shù)為 入口邊界條件，直接計算火箭或導彈尾焰流場，不需要發(fā)動機內部流場的重新計算。
[0021] 還包括步驟5,研究復燃對火箭尾焰流場特性影響：基于步驟3中構建的火箭或導 彈尾焰流場計算區(qū)域網格，以步驟2中得到的發(fā)動機喉部截面參數(shù)分布或發(fā)動機出口截面 參數(shù)分布為入口邊界條件，分別計算不考慮化學反應和考慮化學反應情況下的火箭或導彈 尾焰流場，并進行對比分析。
[0022] 所述步驟5中，在計算考慮化學反應情況下的火箭或導彈尾焰流場時，分別計算 采用相同化學反應機理和不同化學反應機理下的尾焰流場，并進行對比分析。
[0023] 所述步驟2中，基于步驟1中構建的發(fā)動機內部燃燒流場計算區(qū)域網格，計算求解 守恒型三維N-S方程作為模型的流動、物質與能量交換以及燃燒控制方程，并采用詳細化 學反應應機理，對發(fā)動機內部燃燒流場進行三維仿真計算，計算發(fā)動機內部燃燒反應詳細 過程，得到發(fā)動機內部流場參數(shù)分布，發(fā)動機內部流場參數(shù)主要包括壓力、溫度、速度和組 分參數(shù)。
[0024] 所述步驟2中，發(fā)動機內部流動屬于湍流形態(tài)，需采用湍流模型計算流體流動，并 選用k-ε雙方程模型計算。
[0025] 所述步驟2中，描述流體流動及燃燒反應的方程為偏微分方程，需將偏微分方程 進行離散化得到離散數(shù)值逼近解，并采用有限體積法對偏微分方程進行離散化，離散格式 選擇二階迎風格式。
[0026] 所述步驟2中，采用基于壓力的求解器進行偏微分方程求解，并選用壓力隱式算 子分裂算法求解。
[0027] 所述步驟2中，詳細化學反應機理包括單步總包化學反應和多步化學反應；在進 行單步總包化學反應計算時采用渦耗散/有限速率模型計算燃燒速率，在進行多步化學反 應計算時采用渦耗散概念模型計算燃燒速率。
[0028] 本發(fā)明采用上述方法后，計算精確，能充分考慮化學反應和發(fā)動機內部燃燒狀態(tài) 影響，能用于復燃對尾焰流場特性影響研究，便于計算網格構建，只需對一臺發(fā)動機內部燃 燒流場進行仿真計算，避免重復計算，從而能夠節(jié)省大量資源。
【附圖說明】
[0029] 圖1顯示了本發(fā)明一種多噴管火箭尾焰流場計算方法的流程示意圖；
[0030] 圖2顯示了發(fā)動機的內部結構示意圖；
[0031] 圖3顯示了發(fā)動機內部燃燒流場計算區(qū)域示意圖；
[0032] 圖4顯示了火箭尾焰流場計算區(qū)域示意圖。
[0033] 其中有：
[0034] 1.噴嘴；2.燃燒室；3.噴管；4.收縮段；5.擴張段；6.發(fā)動機喉部；7.發(fā)動機出 □ 〇
【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖和具體較佳實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0036] 為方便介紹說明，本申請主要以多噴管火箭為例進行尾焰流場計算方法的說明， 多噴管火箭導彈與火箭的計算方法類似，本發(fā)明將不再贅述。
[0037] 如圖2所示，發(fā)動機的內部結構，包括噴嘴1、燃燒室2和噴管3。
[0038] 其中，噴管3包括收縮段4和擴張段5,收縮段4和擴張段5相交截面為發(fā)動機喉 部6,噴管出口即為發(fā)動機出口 7。
[0039] 如圖1所示，一種多噴管火箭或導彈尾焰流場計算方法，包括如下步驟。
[0040] 步驟1，火箭或導彈發(fā)動機內部燃燒流場計算區(qū)域網格構建：只針對一臺發(fā)動機 的內部燃燒流場計算區(qū)域進行網格構建。
[0041] 發(fā)動機的內部燃燒流場計算區(qū)域，如圖3所示，包括包括噴嘴1、燃燒室2和噴管 3〇
[0042] 對一臺發(fā)動機的內部燃燒流場計算區(qū)域進行網格構建時，需考慮噴嘴分布的對稱 性。
[0043] 1.當噴嘴呈對稱性分布時，對整個發(fā)動機采用對稱性網格構建。如發(fā)動機噴嘴呈 三分之一對稱，構建網格時，只需構建整個發(fā)動機的三分之一即可。
[0044] 由于發(fā)動機內部結構復雜，含有數(shù)量龐大的噴嘴，在短時間內發(fā)生霧化、蒸發(fā)、混 合、燃燒等復雜過程，并且需考慮詳細的化學反應機理，因此要求發(fā)動機內部燃燒流場計算 網格精度較高。
[0045] 當采用對稱性網格構建后，一方面能減少計算量，另一方面，也提高了發(fā)動機內部 燃燒流場計算網格的精度。
[0046] 2.當噴嘴分布不對稱時，對整個發(fā)動機進行全尺寸網格構建。
[0047] 步驟2,火箭或導彈發(fā)動機內部燃燒流場計算。
[0048] 基于步驟1中構建的發(fā)動機內部燃燒流場計算區(qū)域網格，計算求解守恒型三維 N-S方程作為模型的流動、物質與能量交換以及燃燒控制方程。同時，采用詳細化學反應應 機理，只對一臺發(fā)動機內部燃燒流場進行三維仿真計算，計算發(fā)動機內部燃燒反應詳細過 程，得到發(fā)動機內部參數(shù)的詳細分布。從而能夠避免了 2臺及以上發(fā)動機內部燃燒流場的 重復性計算，節(jié)省了計算資源。
[0049] 上述發(fā)動機內部參數(shù)的詳細分布包括發(fā)動機喉部截面參數(shù)分布和發(fā)動機出口截 面參數(shù)分布。
[0050] 上述發(fā)動機喉部截面參數(shù)分布和發(fā)動機出口截面參數(shù)分布均包括壓力、溫度、速 度和組分等參數(shù)。
[0051] 上述計算求解守恒型三維N-S方程作為模型的流動、物質與能量交換以及燃燒控 制方程，方程形式為：
[0052] 動量守恒方程
[0056] 能量守恒方程
[0058] 質量守恒方程
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