CN104318011A - 一种基于实验与仿真互相耦合的真空羽流效应评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于实验与仿真互相耦合的真空羽流效应评估方法，用于快速准确地评估火箭发动机的真空羽流效应。本方法包括：仿真辅助实验设计，进行初步仿真，确定典型实验工况及关键测量参数；实验有效性确认，对实验过程的实验数据与初步仿真结果进行比较，进行有效性判断；仿真方法有效性确认，在实验有效性确认后，对仿真方法进行验证和修正，以达到足够精度；仿真方法推广计算，使用验证后的仿真方法对待分析羽流效应任务的所有工况进行仿真计算。本发明能够快速、高效、准确地对各种具体的发动机真空羽流效应分析问题开展研究和评估，可有效保证实验设计的合理性，减小实验次数，从而降低实验成本。

Description

一种基于实验与仿真互相耦合的真空羽流效应评估方法

技术领域

本发明属于宇航推进系统及真空科学技术领域，本发明涉及一种基于实验与仿真互相耦合的真空羽流效应评估方法，主要应用于快速准确地评估火箭发动机的真空羽流效应。

背景技术

航天器上的姿轨控发动机工作时，喷流向外部真空环境膨胀形成真空羽流。真空羽流会对航天器产生羽流气动力、气动热和污染等不利影响，妨碍航天器正常工作，严重时可导致任务失败。目前研究发动机真空羽流效应主要依靠实验和仿真两种方法。

开展真空羽流效应实验研究必须具备超高真空模拟环境，即建立一个地面真空舱，同时由于实验过程中发动机要持续工作，不断有喷流进入真空舱破坏真空度，为保证实验结果与真实状态接近，真空舱的抽气系统必须具有非常高的动态抽气能力。要实现这些要求，真空抽气系统通常必须采用冷气氦甚至液氦冷却的深冷泵，实验过程中需不断向深冷泵中通入冷气氦或液氦，通过冷却的方式使发动机的喷流冷凝于深冷泵冷板之上。因此真空羽流实验对于深冷介质的消耗量巨大，实验非常昂贵，不适于大量开展，必须在有限的实验工况中获得有效实验数据，不允许不断反复。同时由于真空羽流流动以及真空环境下测量都非常复杂，给实验设计提出了非常高的要求。而且实验完成后怎样判断实验数据的有效性也非常困难。

开展真空羽流仿真研究的困难在于真空羽流流动是一个同时包含连续流动和稀薄流动两种流动机理的流动问题，流动方程复杂，羽流与表面作用模型不完善。目前研究稀薄流动广泛采用的直接模拟蒙特卡罗方法在应用于真空羽流效应研究时存在表面作用模型选择困难，模型参数确定困难等一系列问题，仅使用仿真方法获得的羽流效应分析结果准确性有待验证。

以往也存在使用实验结果验证的仿真方法再进一步分析羽流效应的方案，但是实验与仿真分别进行，仍存在实验结果有效性能否保证、仿真方法验证是否充分等问题。

综上可知，当前研究发动机真空羽流效应的两种主要方法都存在各自的问题，简单的结合也存在很大缺陷。

发明内容

为了能够快速准确地评估火箭发动机的真空羽流效应影响，本发明提出一种能够将实验与仿真方法互相耦合起来形成的系统的羽流效应评估方法，解决了以往实验和仿真方法存在的问题。

一种基于实验与仿真互相耦合的真空羽流效应评估方法，针对某一羽流效应分析任务，进行如下步骤：

步骤1：仿真辅助实验设计；

首先，对进行羽流效应分析的任务开展初步仿真，进行关键实验工况的仿真计算，获得待分析表面的压强分布、热流分布及羽流到达率分布以及流场空间中的压强、密度、温度和组分分布等仿真结果。

然后，基于仿真结果设计实验中采用的压强、热流和石英微量天平等传感器的量程，其中压强传感器的量程设置为拟布置压强传感器位置处仿真得到的波后总压的5倍，热流传感器的量程设置为拟布置热流传感器位置处的热流仿真结果的10倍，石英微量天平的量程设置为拟布置石英微量天平位置处羽流到达率仿真结果与实验时间的乘积再乘以10。

步骤2：实验有效性确认；

开展实验，对比实验结果与初步仿真结果，如果满足以下式(1)～式(3)所示的三个条件的实验有效性判据，则认为实验数据有效，否则进一步确认仿真和实验是否存在问题，在解决问题后再次进行实验，直至满足实验有效性判据。

$\frac{p_{\exp }-p_{\mathrm{sim}}}{p_{\mathrm{sim}}}<3$ 且 $\frac{p_{\mathrm{sim}}-p_{\exp }}{p_{\mathrm{sim}}}<80\%---\left(1\right)$

$\frac{Q_{\exp }-Q_{\mathrm{sim}}}{Q_{\mathrm{sim}}}<20$ 且 $\frac{Q_{\mathrm{sim}}-Q_{\exp }}{Q_{\mathrm{sim}}}<90\%---\left(2\right)$

$\frac{m_{\exp }-{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_{\mathrm{sim}}\mathrm{\&Delta;t}}{{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_{\mathrm{sim}}t}<2---\left(3\right)$

其中，p为压强，Q为热流，m为羽流沉积质量，羽流到达率，Δt为实验时间，下标exp表示实验结果，sim表示仿真结果。

步骤3：仿真方法有效性确认；

实验完成获得实验结果后，根据式(4)～式(6)进行仿真方法有效性确认，当满足式(4)～式(6)时，则认为仿真方法及模型对于当前问题已经达到足够精度，否则，查找仿真方法的问题，修正模型，提高精度，直至满足式(4)～式(6)；

$\left|\frac{p_{\exp }-p_{\mathrm{sim}}}{p_{\exp }}\right|<10\%---\left(4\right)$

$\left|\frac{Q_{\exp }-Q_{\mathrm{sim}}}{Q_{\exp }}\right|<20\%---\left(5\right)$

$m_{\exp }-{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_{\mathrm{sim}}\mathrm{\&Delta;t}>0---\left(6\right)$

步骤4：仿真方法推广计算；

使用得到有效性确认后的仿真方法，对该进行羽流效应分析任务的所有工况进行仿真计算。

所述的步骤1进行初步仿真时，其中由于流场空间中压强采用皮托管测量，因此采集到的参数为流场的波后总压，因此需按下式根据仿真结果获得皮托管处的波后总压

${\tilde{p}}_{\mathrm{pitot}}=\left\{\begin{array}{cc}{p}_t,& M\&le;1\\ p_s{\left(\frac{\mathrm{\&gamma;}+1}{2}\right)}^{\frac{\mathrm{\&gamma;}-3}{\mathrm{\&gamma;}-1}}{\left(\frac{{2M}^{2\mathrm{\&gamma;}}}{2\mathrm{\&gamma;}{M}^2-\mathrm{\&gamma;}+1}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}},& M>1\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，p_t为总压，γ为气体比热比，M为马赫数，p_s为流场静压。

本发明的一种基于实验与仿真互相耦合的真空羽流效应评估方法的优点和积极效果在于：

1、本发明方法说明了真空羽流及其效应研究中如何耦合实验方法和仿真方法，形成一套真空羽流效应评估的体系方法，能够快速、高效、准确地对各种具体的发动机真空羽流效应分析问题开展研究和评估；

2、本发明方法解决了真空羽流实验设计中传感器布置和选型难度大的问题，可有效保证实验设计的合理性，减小实验次数，从而降低实验成本；

3、按本发明所提出的方法，可在真空羽流实验过程中及早发现问题并解决问题，提高真空羽流实验结果的可靠性；

4、本发明为真空羽流仿真方法的验证提出了具体的标准，保证仿真模型的准确性。

附图说明

附图是本发明提出的基于实验与仿真互相耦合的真空羽流效应评估方法的实验流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出的一种基于实验与仿真互相耦合的真空羽流效应评估方法，能够快速准确地评估火箭发动机的真空羽流效应影响，针对某一具体的发动机真空羽流效应分析任务，按以下步骤开展分析和评估。

第一步：仿真辅助实验设计。

仿真辅助实验设计是指针对某一需要进行羽流效应分析的具体问题，首先开展几个关键实验工况的仿真计算，获得待分析表面的压强分布、热流分布及羽流到达率分布以及流场空间中待测点的压强、密度、温度和组分分布等仿真结果。其中由于流场空间中压强采用皮托管测量，因此采集到的参数为流场的波后总压，因此需按下式根据仿真结果获得皮托管处的波后总压为：

${\tilde{p}}_{\mathrm{pitot}}=\left\{\begin{array}{cc}{p}_t,& M\&le;1\\ p_s{\left(\frac{\mathrm{\&gamma;}+1}{2}\right)}^{\frac{\mathrm{\&gamma;}-3}{\mathrm{\&gamma;}-1}}{\left(\frac{{2M}^{2\mathrm{\&gamma;}}}{2\mathrm{\&gamma;}{M}^2-\mathrm{\&gamma;}+1}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}},& M>1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，p_t为流场的总压，γ为气体比热比，M为马赫数，p_s为流场静压。

本步骤中首先进行初步仿真预示，在初步仿真结果基础上，确定典型实验工况及关键测量参数，如图1所示。然后基于仿真结果来设计实验中采用的压强、热流和石英微量天平的量程。实验中采用的传感器的量程按以下方法确定：压强传感器的量程设置为拟布置压强传感器位置处仿真得到的波后总压的5倍，热流传感器的量程设置为拟布置热流传感器位置处热流仿真结果的10倍，石英微量天平的量程设置为拟布置石英微量天平位置处羽流到达率仿真结果与实验时间的乘积再乘以10。这样的设置考虑到了不同参数仿真可以达到的大致精度。

第二步：实验有效性确认。

实验有效性确认是指开展实验过程中要确保实验数据可靠，一旦发现实验结果偏差过大，必须找到问题，及时修正，防止错误的实验结果进入下一流程。实验有效性确认同样依据前期实验设计中的仿真结果进行。开展实验，进行实验有效性判据条件判断，进行第三步；否则分析误差来源。

开展实验，实验过程中对比实验结果与初步仿真的仿真结果，如果实验结果满足以下式(2)～式(4)所示的三个实验有效性判据条件，则认为实验数据合理可信，否则必须进行进一步确认。

$\frac{p_{\exp }-p_{\mathrm{sim}}}{p_{\mathrm{sim}}}<3$ 且 $\frac{p_{\mathrm{sim}}-p_{\exp }}{p_{\mathrm{sim}}}<80\%---\left(2\right)$

$\frac{Q_{\exp }-Q_{\mathrm{sim}}}{Q_{\mathrm{sim}}}<20$ 且 $\frac{Q_{\mathrm{sim}}-Q_{\exp }}{Q_{\mathrm{sim}}}<90\%---\left(3\right)$

$\frac{m_{\exp }-{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_{\mathrm{sim}}\mathrm{\&Delta;t}}{{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_{\mathrm{sim}}t}<2---\left(4\right)$

其中，p为压强，Q为热流，m为羽流沉积质量，羽流到达率，Δt为实验时间，下标exp表示实验结果，sim表示仿真结果。

如果无法满足，如图1所示，则需要进一步确认问题，分别从仿真和实验两个方面查找原因，直到满足实验有效性判据为止。进一步确认的工作包括仿真的确认和实验的确认。仿真方面，需要检查建模不合理隐私，修正后进行重新仿真计算，具体需要确认结构建模、入口参数、边界条件三方面是否存在问题，如果无问题，则查找实验方面的问题。实验方面需要确认结构位置、传感器固定、传感器量程和测控系统配置等是否存在问题。找到问题后修正实验设计，再次进行实验，直至确认实验有效性。

第三步，仿真方法有效性确认。

实验完成获得实验结果后，进行仿真方法的验证和修正。仿真方法有效性确认是指在实验数据确认可靠后，对仿真方法的精细验证和修正过程。如图1所示，对于实验的工况，开展精细仿真计算，对比二者结果，如果仿真结果满足仿真有效性判据为式(5)～式(7)，则认为仿真方法及模型对于当前问题已经达到足够精度，否则，查找仿真方法的问题，修正模型，提高精度，直至满足仿真有效性判据为止。

仿真方法有效性确认中式(5)～式(7)所示的三个仿真有效性判据如下：

$\left|\frac{p_{\exp }-p_{\mathrm{sim}}}{p_{\exp }}\right|<10\%---\left(5\right)$

$\left|\frac{Q_{\exp }-Q_{\mathrm{sim}}}{Q_{\exp }}\right|<20\%---\left(6\right)$

$m_{\exp }-{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_{\mathrm{sim}}\mathrm{\&Delta;t}>0---\left(7\right)$

其中，对于羽流深积，由于到达表面的羽流不会完全沉积，因此对于仿真的要求为仿真计算的总到达量小于实验测量的值，如式(7)所示，并由此可以获得到达表面的羽流的沉积率为

如果无法满足以上三式的要求，则需要查找问题，重新仿真，直至满足式(5)～式(7)所示的条件为止，查找问题从以下几个方面入手：结构建模的细节影响分析、羽流与边界作用模型设置是否合理、边界作用模型的参数设置是否合理、网格无关性验证、以及时间步长设置是否合理。

第四步，仿真方法推广计算。

仿真方法推广计算是仿真方法得到确认后使用该针对具体问题验证过的仿真方法对此问题所有工况进行仿真计算，获得羽流效应评估结果。通过第三步，仿真方法已经达到足够精度后，对待分析羽流效应任务的设定的其他工况，使用得到有效性确认后的仿真方法进行仿真计算。

Claims (4)

1.一种基于实验与仿真互相耦合的真空羽流效应评估方法，其特征在于，针对某一羽流效应分析任务，进行如下步骤：

步骤1：仿真辅助实验设计，具体如下：

首先，对进行羽流效应分析的任务进行初步仿真，获得的仿真结果包括：待分析表面的压强分布、热流分布、羽流到达率分布以及流场空间中待测点的压强、密度、温度和组分分布；然后，基于仿真结果设计实验中采用的压强传感器、热流传感器和石英微量天平的量程，具体是：压强传感器的量程设置为拟布置压强传感器位置处仿真得到的波后总压的5倍，热流传感器的量程设置为拟布置热流传感器位置处热流仿真结果的10倍，石英微量天平的量程设置为拟布置石英微量天平位置处羽流到达率仿真结果与实验时间的乘积再乘以10；

步骤2：实验有效性确认，具体如下：

开展实验，对比实验结果与初步仿真获得的仿真结果，如果满足式(1)～式(3)所示实验有效性判据，则实验数据有效，否则进一步确认仿真和实验是否存在问题，在解决问题后再次进行实验，直至满足实验有效性判据；

$\frac{p_{\exp }-p_{\mathrm{sim}}}{p_{\mathrm{sim}}}<3$ 且 $\frac{p_{\mathrm{sim}}-p_{\exp }}{p_{\mathrm{sim}}}<80\%$    (1)

$\frac{Q_{\exp }-Q_{\mathrm{sim}}}{Q_{\mathrm{sim}}}<20$ 且 $\frac{Q_{\mathrm{sim}}-Q_{\exp }}{Q_{\mathrm{sim}}}<90\%$    (2)

$\frac{m_{\exp }-{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_{\mathrm{sim}}\mathrm{\&Delta;t}}{{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_{\mathrm{sim}}t}<2$    (3)

其中，p为压强，Q为热流，m为羽流沉积质量，羽流到达率，Δt为实验时间，下标exp表示实验结果，sim表示仿真结果；

步骤3：仿真方法有效性确认，具体如下：

实验完成获得实验结果后，根据式(4)～式(6)进行仿真方法有效性确认，当满足式(4)～式(6)时，则认为仿真方法及模型对于当前问题已经达到足够精度，否则，查找仿真方法的问题，修正模型，直至满足式(4)～式(6)；

$\left|\frac{p_{\exp }-p_{\mathrm{sim}}}{p_{\exp }}\right|<10\%$    (4)

$\left|\frac{Q_{\exp }-Q_{\mathrm{sim}}}{Q_{\exp }}\right|<20\%$    (5)

$m_{\exp }-{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_{\mathrm{sim}}\mathrm{\&Delta;t}>0$    (6)

步骤4：使用得到有效性确认后的仿真方法，对该进行羽流效应分析任务的所有工况进行仿真计算。

2.根据权利要求1所述的基于实验与仿真互相耦合的真空羽流效应评估方法，其特征在于，所述的步骤1中进行初步仿真时，流场空间中压强采用皮托管测量，采集到的参数为流场的波后总压，根据下式获得皮托管处的波后总压为：

${\tilde{p}}_{\mathrm{pitot}}=\left\{\begin{array}{cc}{p}_t,& M\&le;1\\ p_s{\left(\frac{\mathrm{\&gamma;}+1}{2}\right)}^{\frac{\mathrm{\&gamma;}-3}{\mathrm{\&gamma;}-1}}{\left(\frac{{2M}^{2\mathrm{\&gamma;}}}{2\mathrm{\&gamma;}{M}^2-\mathrm{\&gamma;}+1}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}},& M>1\end{array}\right.$

其中，p_t为流场总压，γ为气体比热比，M为马赫数，p_s为流场静压。

3.根据权利要求1所述的基于实验与仿真互相耦合的真空羽流效应评估方法，其特征在于，步骤2中所述的进一步确认仿真和实验是否存在问题，在仿真方面，确认结构建模、入口参数和边界条件三方面是否存在问题；在实验方面，确认结构位置、传感器固定、传感器量程和测控系统配置是否存在问题。

4.根据权利要求1所述的基于实验与仿真互相耦合的真空羽流效应评估方法，其特征在于，步骤3中所述的查找仿真方法的问题，具体从如下方面进行查找：结构建模的细节影响分析、羽流与边界作用模型设置是否合理、边界作用模型的参数设置是否合理、网格无关性验证、以及时间步长设置是否合理。