CN108825404A - 一种组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法 - Google Patents

一种组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法，首先构建一种适用于组合发动机燃烧室性能分析的单流管Euler方程模型。然后采用三个单流管模型分别代表火箭基组合发动机燃烧室内中心富燃燃气、空气来流以及混合层，把燃料添加、壁面摩擦、壁面传热、燃烧反应、面积变化、流动混合等因素作为源项置于Euler方程模型的右端。对构建的各单流管模型进行计算求解。本发明解决了设计阶段对不同构型方案及工况下燃烧室性能的快速评估问题。该计算方法能够在单机上获得燃烧室性能参数(速度、静温和静压等分布曲线)，为设计者计算发动机性能提供燃烧室出口参数，具有精度可靠、使用简单、实用性强等优点。

Description

一种组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法
技术领域
本发明涉及航空航天领域中临近空间高超声速组合推进技术领域，特别是组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法。
背景技术
当前战争向信息化方向发展，制空权、制天权和制信息权越来越密不可分。空天战场日益呈现出高度融合的趋势，临近空间是构建空天一体最为重要的环节。临近空间高超声速飞行器具有持久性、区域覆盖范围大、远程快速到达、快速响应、高生存、低成本等显著优势，可实现战略威慑与战术运用的全球快速察打一体化能力，将会引起信息感知和空天对抗军事能力的新革命。发展临近空间飞行器在未来军事对抗中具有重要战略/战术价值，已经越来越被世界军事大国所认识。
为了兼顾安全性、经济性和作战效能的综合要求，临近空间高超声速飞行器的飞行范围十分宽广，这就要求动力装置在如此宽广的飞行包线内长航程、重复使用中能够稳定可靠地工作。目前任何一种单一类型的吸气式发动机都不能满足上述要求，必须发展组合动力。这种组合动力装置通过不同动力的热力循环组合，可充分发挥不同类型的发动机在各自工作阶段的最佳性能。
典型的组合动力形式包括火箭冲压组合(RBCC)、涡轮冲压组合(TBCC)、空气涡轮火箭(ATR)与吸气式火箭组合发动机(ARC)等类型。临近空间组合推进技术难度巨大，需要多途径、多方案开展研究。
组合发动机的研制过程中，燃烧室内普遍存在多股流动混合燃烧的问题。流动混合燃烧是组合动力系统中的核心关键技术之一。
以火箭基组合发动机系统为例，其主要由冲压通道和嵌于流道中心的火箭预燃室构成，如图1所示。燃料在燃烧室内的驻留时间非常短，通常为毫秒量级，因而使从火箭预燃室流出的燃气与来流空气的混合及燃烧效率具有决定性意义。燃气与空气形成的混合层受可压缩效应与燃烧放热效应影响，极大地降低了反应混合层的增长速度，使得燃烧室内燃料与氧化剂的混合、点火与火焰稳定问题变得非常突出。因而，在研制过程中为提高组合动力系统的性能，对不同构型燃烧室在不同工况下性能的快速计算评估是十分必要的，这对发动机设计与优化有着重要的指导意义。
目前对燃烧室的多股流动混合燃烧的性能评估主要是采用二维和三维数值仿真的方法。数值仿真作为一种预测和诊断技术，其优点是能够提供流场的详细特性，阐明实验中无法观测到的流动现象。但由于计算量大、周期长，二维、三维数值仿真并不适合前期发动机的设计与优化。
相比而言，准一维方法假定燃烧室垂直流动方向参数均匀，只计算其沿流向的参数变化，有着计算量小、耗时少、精度较高的特点，而成为燃烧室性能快速评估最有效的方法。但组合发动机燃烧室内多股流动之间参数差别大(如图1所示)，传统准一维方法的单流管参数模型不能代表沿流向的不同流动间差别，因而也无法反应其中的混合燃烧过程，造成该类模型在组合发动机燃烧室多股流动上的计算评估结果不理想，与试验存在较大差别。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法。本发明要解决设计阶段对不同构型方案及工况下燃烧室性能的快速评估问题。该计算方法能够在单机上获得燃烧室性能参数(速度、静温和静压等分布曲线)，为设计者计算发动机性能提供燃烧室出口参数，具有精度可靠、使用简单、实用性强等优点。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：
一种组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法，所述组合发动机以火箭基组合发动机为例。火箭基组合发动机燃烧室的内部流管是预燃室的中心富燃燃气，火箭基组合发动机燃烧室的外围流管是进气道的空气来流，中心富氧燃气流与空气来流两者相互作用形成的混合层是中间流管，设其分别为流管1、流管2和流管3。而后在主燃烧室内喷油进行燃烧。
流管1初始半径为R1，初始参数包括中心富燃燃气的速度u1，中心富燃燃气的压力p1，中心富燃燃气的温度T1，中心富燃燃气中的组分Y1i；
流管2初始半径为R2，初始参数包括空气来流的速度u2，空气来流的压力p2，空气来流的温度T2，空气来流的组分Y2i；
流管3厚度δ逐渐增长。燃烧室构型沿流向面积变化已知。
首先构建一种适用于组合发动机燃烧室性能分析的单流管Euler方程模型：该模型包括公式(1)，(2)，(3)和(4)，该四个公式分别对应流管的质量、动量、能量和组分的控制方程：
其中t为时间；x为流管沿发动机流向距离；u为流管中的流动速度；ρ为流管中的流体密度；p为流管中的压强；A为流管的面积；Fw为流管受到的壁面摩擦力；mf为流管中单位时间的燃料喷注质量；mr为流管中单位时间化学反应的生成物质量；ms为流管中单位时间混合层交换的质量；uf为流管中燃料喷注的流向速度；us为流管中混合层质量交换的流向速度；e为流管中流体的内能；qw为流管中单位时间壁面的换热量；qr为流管中单位时间化学反应的放热量；ef为流管中燃料喷注的内能；es为流管中混合层流体交换的内能；Yi为流管中组分i的质量分数；Yfi为流管中燃料喷注组分i的质量分数；Ysi为流管中混合层流体交换组分i的质量分数；Yri为流管中化学反应物组分i的质量分数；
然后，采用三个单流管模型分别代表火箭基组合发动机燃烧室内中心富燃燃气、空气来流以及混合层，对构建的各单流管模型进行计算求解，包括以下步骤：
S1对于给定的火箭基组合发动机，输入其燃烧室入口参数，确定燃烧室型面及喷注参数。
根据火箭基组合发动机燃烧室的设计指标，确定燃烧室入口处中心富燃燃气即流管1、周围空气来流即流管2及混合层即流管3中的速度(u)、温度(T)、压力(p)、组分(Yi)和燃烧室的截面积(Ac)；
然后分别计算各流管的内能和密度。其中，流体内能计算公式为：e＝cvT，cv是流体的定容比热；密度计算公式为：R是通用气体常数。
根据火箭基组合发动机燃烧室的设计结构，确定燃烧室流向的面积变化以及喷注参数，其中喷注参数包括燃料喷注的位置、流量及动量。
本发明是针对火箭基组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法，因此火箭基组合发动机燃烧室来流的设计指标、火箭基组合发动机燃烧室的设计结构是已知的，燃烧室入口参数、燃烧室流向的面积变化以及喷注参数等都是已知或者根据已知参数可以确定下来的。
S2采用三个单流管模型分别代表火箭基组合发动机燃烧室内中心富燃燃气、空气来流以及混合层；对整个火箭基组合发动机燃烧室内各个流管进行流向的网格划分和初始化赋值。
根据流管参数的变化及求解精度需求，将各个流管沿流向的参数用n个网格点表示；对每个网格点，计算其沿流向与入口的距离及当地的面积；将各个流管的入口参数(速度、温度、压力和组分)赋值到每个网格点。
S3计算火箭基组合发动机燃烧室内各流管Euler方程右侧的源项；
各流管Euler方程右侧源项采用一阶迎风格式计算，分别如下。
(1)燃料喷注项
燃料从壁面喷注进入燃烧室，将会影响外围空气来流(流管2)的质量、动量、能量和组分方程，如公式(1)，(2)，(3)和(4)中其右侧源项所示。根据喷注方式，燃料质量沿流向的分布可采用均匀分布(见公式(6))、线性分布(见公式(7))或高斯分布(见公式(8))描述，
式中lmix为燃料分布的流向长度，xf为燃料喷注中心点，σ为高斯分布的标准差，mft为单位时间燃料喷注的总质量。
动量方程即公式(2)、能量方程即公式(3)与组分方程即公式(4)中的燃料喷注项，只需将燃料喷注的质量分布与相应参数相乘即可，分别为
(2)壁面摩擦项
燃烧室壁面的摩擦将对外围空气来流(即流管2)产生阻力，影响其动量方程，如公式(2)右侧源项所示。
其具体计算公式如下，
其中Cw为燃烧室当地周长，Cw＝πDw，其中Dw为直径。f为摩擦系数，可采用经验公式
其中Re为雷诺数。
(3)壁面换热项
燃烧室壁面的换热将对外围空气来流(即流管2)产生热量交换，影响其能量方程，如公式(3)右侧源项所示。
其具体计算公式如下，
其中T、Taw与Tw分别为燃烧室内气体静温，气体的壁面滞止温度与壁面温度；θw为燃烧室壁面与其中心线的交角；hw为燃烧室壁面的传热系数，可采用公式(13)确定：
hw＝0.023Re0.8Pr0.3 (13)
其中Pr为普朗特数。
ε为燃烧室壁面的热辐射系数，根据材料及表面而不同，在0-1之间。σ为斯特藩-玻尔玆曼常数，5.67×10-8Wm-2K-4。
(4)燃烧反应项
燃烧室内的燃烧反应将产生热量与组分变化，影响各个流管的能量和组分方程，如公式(3)，(4)右侧源项qr与
燃烧反应的速率采用阿累尼乌斯定律计算(式中k为反应速率，Ak为指前因子，e为自然对数，Ea为实验活化能，R摩尔气体常数，T为流体绝对温度)，其反应放热qr是反应物与生成物的标准生成焓之差(式中为反应物i的标准生成焓，Mi为反应物i的相对分子质量)，其反应物及生成物的质量变化式中，υi'与υi为生成物与反应物的反应系数，Ai为组分i的物质的量浓度，k为燃烧速率，具体细节可参考《燃烧学》。
(5)流管面积项
流管的流向的面积变化对流管内的气体产生压缩或扩张效应，会影响各个流管质量、动量、能量、组分方程，如公式(1)，(2)，(3)，(4)右侧源项所示。其面积沿流向的变化取决于流管前后的面积差
其中Aj、Aj+1代表流管在网格点j和j+1处的面积，dx代表网格点j和j+1之间的流向距离。
因此公式(1)中的流管面积变化项
公式(2)中的流管面积变化项
公式(3)中的流管面积变化项
公式(4)中的流管面积变化项
(6)混合层影响项
相邻流管间(中心富燃燃气与混合层即流管1与3，外围空气来流与混合层即流管2与3)的相互混合作用将发生质量、动量、能量与组分的交换，影响其相应方程，如公式(1)，(2)，(3)和(4)右侧源项所示，其中公式(1)，(2)，(3)和(4)中的混合层影响项分别为和
其中，混合层增长即质量交换的速率是其中计算的关键，采用如下具体计算公式，
其中为混合层的增长率，采用如下模型计算
式中，其中ρ1、ρ2分别为流管1与2的密度，u1、u1分别为流管1与2的速度，a1、a2分别为流管1与2的声速。
S4计算各流管Euler方程左侧的空间对流项
公式(1)、(2)，(3)和(4)左侧的空间对流项可采用标准二阶NND求解格式进行计算(参照《计算流体力学及并行算法》)。
S5对各流管参数进行更新
结合S3至S4中方程左侧和右侧各项的计算结果，能够得到流场参数的时间变化项，即在一个时间步内各个参数的变化量，进而对各流管的参数进行更新。
S6根据各流管压力对中心富燃燃气流、中间混合层及空气来流的流道面积进行调整。
各个流管的面积由流管的压力平衡来确定，其调节规律总结如下是当某个流管内压力高于各个流管的平均压力时，则该流管面积扩大，反之则缩小。其具体计算公式如下，
其中p为该流管的压力，pave为各个流管的平均压力，Ac为燃烧室的截面积，ca为调节系数，为计算稳定性，一般取ca＜1.0。
该公式(19)能够保证各个流管的调节过程中，其总面积守恒，即
∑dA＝0 (20)
各个流管的面积之和始终等于燃烧室的截面积Ac。
S7.重复S3-S6，直到各流管参数稳定
重复步骤S3-S6，持续更新各个流管的参数并调整截面积，直至各个流管的压力达到平衡，其他参数及截面积稳定为止。
采用单机运行，一般达到稳定的计算时间不超过10分钟，具体时长与初始参数状态、求解过程CFL数及面积调整系数等有关。
至此整个计算过程结束，根据各流管的计算结构，可以绘制出燃烧室内沿流向的参数变化，如图4所示。由此可以评估燃烧室的总体性能，同时为热防护与喷管设计提供指导。
本发明的有益效果如下：
本发明从流体力学基本定律(质量守恒、动量守恒、能量守恒、组分守恒)出发，推导出适用于组合发动机燃烧室性能分析的Euler方程。采用多个单流管模型分别计算组合发动机燃烧室内的各股流动及其混合层，把燃料添加、壁面摩擦、壁面传热、燃烧反应、面积变化、流动混合等因素作为源项置于Euler方程的右端。数值求解此改进的准一维Euler方程，并根据各个流管压力调节其面积，便得到一种高效的、适合于组合发动机燃烧室内流计算的数值研究方法。
针对临近空间高超声速组合发动机，在燃烧室内多股流体混合燃烧的条件下，通过本发明，能够有效地计算各流动相互混合及沿流向参数变化，实现发动机燃烧室性能的快速评估，为其优化设计提供可靠数据支撑。
附图说明
图1是火箭基组合发动机燃烧室结构及流动示意图；
图2是火箭基组合发动机燃烧室多流管模型示意图。其中图2(a)是后视图；图2(b)是侧视图
图3是火箭基组合发动机燃烧室多流管模型计算流程图。
图4是火箭基组合发动机燃烧室多流管模型计算结果图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面以火箭基组合发动机为例，说明本发明提供的一种组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法。其中图1是火箭基组合发动机燃烧室结构及流动示意图。图2是火箭基组合发动机燃烧室多流管模型示意图。其中图2(a)是后视图；图2(b)是侧视图。
以火箭基组合发动机为例，燃烧室的中心是预燃室的富燃燃气，外围是进气道的空气来流，两者相互作用形成混合层，而后在主燃烧室内喷油进行燃烧。参照图2，火箭基组合发动机燃烧室的流管1是预燃室的中心富燃燃气，火箭基组合发动机燃烧室的流管2是进气道的空气来流。流管1和流管2两者相互作用形成混合层，混合层是中间流管即流管3。而后在主燃烧室内喷油进行燃烧。
图2中的流管1初始半径为R1，初始参数包括中心富燃燃气的速度u1，中心富燃燃气的压力p1，中心富燃燃气的温度T1，中心富燃燃气中的组分Y1i；
图2中的流管2初始半径为R2，初始参数包括空气来流的速度u2，空气来流的压力p2，空气来流的温度T2，空气来流的组分Y2i；
图2中的流管3厚度δ逐渐增长；
燃烧室构型沿流向面积变化已知。
首先构建了一种适用于组合发动机燃烧室性能分析的单流管Euler方程模型，该模型包括流管的质量、动量、能量和组分的控制方程。
其中t为时间；x为流管沿发动机流向距离；u为流管中的流动速度；ρ为流管中的流体密度；p为流管中的压强；A为流管的面积；Fw为流管受到的壁面摩擦力；mf为流管中单位时间的燃料喷注质量；mr为流管中单位时间化学反应的生成物质量；ms为流管中单位时间混合层交换的质量；uf为流管中燃料喷注的流向速度；us为流管中混合层质量交换的流向速度；e为流管中流体的内能；qw为流管中单位时间壁面的换热量；qr为流管中单位时间化学反应的放热量；ef为流管中燃料喷注的内能；es为流管中混合层流体交换的内能；Yi为流管中组分i的质量分数；Yfi为流管中燃料喷注组分i的质量分数；Ysi为流管中混合层流体交换组分i的质量分数；Yri为流管中化学反应物组分i的质量分数；
参照图3是火箭基组合发动机燃烧室多流管模型计算流程图，包括以下步骤：
S1对于给定的火箭基组合发动机，输入其燃烧室入口参数，确定燃烧室型面及喷注参数。
根据火箭基组合发动机燃烧室的设计指标，确定燃烧室入口处中心富燃燃气(流管1)、空气来流(流管2)及混合层(流管3)中的速度(u)、温度(T)、压力(p)、组分(Yi)和燃烧室的截面积(Ac)；
然后分别计算各流管内流体内能和密度。其中，流体内能计算公式为：e＝cvT，cv是定容比热；密度计算公式为：R是通用气体常数。
根据火箭基组合发动机燃烧室的设计结构，确定燃烧室流向的面积变化以及喷注参数，其中喷注参数包括燃料喷注的位置、流量及动量。
本发明是针对火箭基组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法，因此火箭基组合发动机燃烧室来流的设计指标、火箭基组合发动机燃烧室的设计结构是已知的，燃烧室入口参数、燃烧室流向的面积变化以及喷注参数等都是已知或者根据已知参数可以确定下来的。
S2初始化燃烧室流场网格
采用三个流管模型分别代表火箭基组合发动机燃烧室内中心富燃燃气、空气来流以及混合层；对整个火箭基组合发动机燃烧室内各个流管进行流向的网格划分和初始化赋值。
根据流管参数的变化及求解精度需求，将各个流管沿流向的参数用n个网格点表示；对每个网格点，计算其沿流向与入口的距离及当地的面积；将各个流管的入口参数(速度、温度、压力和组分)赋值到每个网格点。
S3计算各流管Euler方程右侧的源项
各流管Euler方程右侧源项采用一阶迎风格式计算，分别如下。
(1)燃料喷注项
燃料从壁面喷注进入燃烧室，将会影响外围空气来流(流管2)的质量、动量、能量和组分方程，如公式(1)，(2)，(3)和(4)中其右侧源项所示。根据喷注方式，燃料质量沿流向的分布可采用均匀分布(见公式(6))、线性分布(见公式(7))或高斯分布(见公式(8))描述，
式中lmix为燃料分布的流向长度，xf为燃料喷注中心点，σ为高斯分布的标准差，mft为单位时间燃料喷注的总质量。
动量方程即公式(2)、能量方程即公式(3)与组分方程即公式(4)中的燃
料喷注项，只需将燃料喷注的质量分布与相应参数相乘即可，分别为
(2)壁面摩擦项
燃烧室壁面的摩擦将对外围空气来流(流管2)产生阻力，影响其动量方程，如公式(2)右侧源项所示。
其具体计算公式如下，
其中Cw为燃烧室当地周长，Cw＝πDw，其中Dw为直径。f为摩擦系数，可采用经验公式
其中Re为雷诺数。
(3)壁面换热项
燃烧室壁面的换热将对外围空气来流(流管2)产生热量交换，影响其能量方程，如公式(3)右侧源项所示。
其具体计算公式如下，
其中T、Taw与Tw分别为燃烧室内气体静温，气体的壁面滞止温度与壁面温度；θw为燃烧室壁面与其中心线的交角；hw为燃烧室壁面的传热系数，可采用公式(13)确定
hw＝0.023Re0.8Pr0.3 (13)
其中Pr为普朗特数。
ε为燃烧室壁面的热辐射系数，根据材料及表面而不同，在0-1之间。σ为斯特藩-玻尔玆曼常数，5.67×10-8Wm-2K-4。
(4)燃烧反应项
燃烧室内的燃烧反应将产生热量与组分变化，影响各个流管的能量和组分方程，如公式(3)，(4)中的右侧源项qr与
燃烧反应的速率采用阿累尼乌斯定律计算(式中k为反应速率，Ak为指前因子，e为自然对数，Ea为实验活化能，R摩尔气体常数，T为流体绝对温度)，其反应放热qr是反应物与生成物的标准生成焓之差(式中为反应物i的标准生成焓，Mi为反应物i的相对分子质量)，其反应物及生成物的质量变化式中，υi'与υi为生成物与反应物的反应系数，Ai为组分i的物质的量浓度，k为燃烧速率，具体细节可参考《燃烧学》。
(5)流管面积项
流管的流向的面积变化对流管内的气体产生压缩或扩张效应，会影响各个流管质量、动量、能量、组分方程，如公式(1，2，3，4)右侧源项所示。其面积沿流向的变化取决于流管前后的面积差
其中Aj、Aj+1代表流管在网格点j和j+1处的面积，dx代表网格点j和j+1之间的流向距离；
因此公式(1)中的流管面积变化项
公式(2)中的流管面积变化项
公式(3)中的流管面积变化项
公式(4)中的流管面积变化项
(6)混合层影响项
相邻流管间(中心富燃燃气与混合层即流管1与3，外围空气来流与混合层即流管2与3)的相互混合作用将发生质量、动量、能量与组分的交换，影响其相应方程，如公式(1)，(2)，(3)和(4)右侧源项所示，其中公式(1)，(2)，(3)和(4)中的混合层影响项分别为和
其中，混合层增长即质量交换的速率是其中计算的关键，采用如下具体计算公式，
其中为混合层的增长率，采用如下模型计算
式中，为内外流密度比，为内外流速度比，为内外流的对流马赫数，其中ρ1、ρ2分别为流管1与2的密度，u1、u1分别为流管1与2的速度，a1、a2分别为流管1与2的声速。
S4计算各流管Euler方程左侧的空间对流项
公式(1)、(2)，(3)和(4)左侧的空间对流项可采用标准二阶NND求解格式进行计算(参照《计算流体力学及并行算法》)。
S5对各流管参数进行更新
结合S3至S4中方程左侧和右侧各项的计算结果，能够得到流场参数的时间变化项，即在一个时间步内各个参数的变化量，进而对各流管的参数进行更新。
S6根据各流管压力进行面积调整
各个流管的面积由流管的压力平衡来确定，其调节规律总结如下是当某个流管内压力高于各个流管的平均压力时，则该流管面积扩大，反之则缩小。其具体计算公式如下，
其中p为该流管的压力，pave为各个流管的平均压力，Ac为燃烧室的截面积，ca为调节系数，为计算稳定性，一般取ca＜1.0。该公式能够保证各个流管的调节过程中，其总面积守恒，即
∑dA＝0 (20)
各个流管的面积之和始终等于燃烧室的截面积Ac。
S7.重复S3-S6，直到各流管参数稳定
重复步骤S3-S6，持续更新各个流管的参数并调整截面积，直至各个流管的压力达到平衡，其他参数及截面积稳定为止。
采用单机运行，一般达到稳定的计算时间不超过10分钟，具体时长与初始参数状态、求解过程CFL数及面积调整系数等有关。
至此整个计算过程结束，根据各流管的计算结构，可以绘制出燃烧室内沿流向的参数变化，如图4所示。由此可以评估燃烧室的总体性能，同时为热防护与喷管设计提供指导。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法，其特征在于：所述组合发动机以火箭基组合发动机为例，火箭基组合发动机燃烧室内包括有中心富氧燃气流、进气道的空气来流以及中心富氧燃气流与空气来流相互作用形成的混合层是中间流管，设其分别为流管1、流管2和流管3；
流管1初始半径为R1，初始参数包括中心富燃燃气的速度u1，中心富燃燃气的压力p1，中心富燃燃气的温度T1，中心富燃燃气中的组分Y1i；
流管2初始半径为R2，初始参数包括空气来流的速度u2，空气来流的压力p2，空气来流的温度T2，空气来流的组分Y2i；
流管3厚度δ逐渐增长；燃烧室构型沿流向面积变化已知；
首先构建一种适应于组合发动机燃烧室性能分析的单流管Euler方程模型，该模型包括公式(1)，(2)，(3)和(4)，该四个公式分别对应流管的质量、动量、能量和组分的控制方程：
其中t为时间；x为流管沿发动机流向距离；u为流管中的流动速度；ρ为流管中的流体密度；p为流管中的压强；A为流管的面积；Fw为流管受到的壁面摩擦力；mf为流管中单位时间的燃料喷注质量；mr为流管中单位时间化学反应的生成物质量；ms为流管中单位时间混合层交换的质量；uf为流管中燃料喷注的流向速度；us为流管中混合层质量交换的流向速度；e为流管中流体的内能；qw为流管中单位时间壁面的换热量；qr为流管中单位时间化学反应的放热量；ef为流管中燃料喷注的内能；es为流管中混合层流体交换的内能；Yi为流管中组分i的质量分数；Yfi为流管中燃料喷注组分i的质量分数；Ysi为流管中混合层流体交换组分i的质量分数；Yri为流管中化学反应物组分i的质量分数；
然后，采用三个单流管模型分别代表火箭基组合发动机燃烧室内中心富燃燃气、空气来流以及混合层，对构建的各单流管模型进行计算求解，包括以下步骤：
S1对于给定的火箭基组合发动机，输入其燃烧室入口参数，确定燃烧室型面及喷注参数；
S2采用三个流管模型分别代表火箭基组合发动机燃烧室内中心富燃燃气、空气来流以及混合层，对火箭基组合发动机燃烧室内各个流管进行流向的网格划分和初始化赋值；
S3计算火箭基组合发动机燃烧室内各流管Euler方程右侧的源项，其中各流管Euler方程右侧源项采用一阶迎风格式计算；
S4计算各流管Euler方程左侧的空间对流项；
S5对各流管参数进行更新
结合S3至S4中方程左侧和右侧各项的计算结果，能够得到流场参数的时间变化项，即在一个时间步内各个参数的变化量，进而对各流管的参数进行更新；
S6根据各流管压力对中心富燃燃气流、空气来流以及混合层的流道面积进行调整；
S7.重复S3-S6，直到各流管参数稳定。
2.根据权利要求1所述的组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法，其特征在于：S1中,燃烧室入口参数包括燃烧室入口处中心富燃燃气、周围空气来流及中间混合层的速度u、温度T、压力p、组分Yi、燃烧室的截面积Ac，以及各流管的内能和密度；其中，内能计算公式为：e＝cvT，cv是流体的定容比热；密度计算公式为：R是通用气体常数；
根据火箭基组合发动机燃烧室的设计结构，确定燃烧室流向的面积变化以及喷注参数，其中喷注参数包括燃料喷注的位置、流量及动量。
3.根据权利要求1所述的组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法，其特征在于：S2中的计算方法如下：
根据流管参数的变化及求解精度需求，将各个流管沿流向的参数用n个网格点表示；对每个网格点，计算其沿流向与入口的距离及当地的面积；将各个流管的入口参数即速度、温度、压力和组分赋值到每个网格点。
4.根据权利要求1所述的组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法，其特征在于：S3中的计算方法如下：
(1)燃料喷注项
燃料从壁面喷注进入燃烧室，将会影响外围空气来流的质量、动量、能量和组分方程，如公式(1)，(2)，(3)和(4)中其右侧源项所示；
根据喷注方式，燃料质量沿流向的分布采用均匀分布描述如公式(6)、采用线性分布描述如公式(7)或者采用高斯分布描述如公式(8)：
其中lmix为燃料分布的流向长度，xf为燃料喷注中心点，σ为高斯分布的标准差，mft为单位时间燃料喷注的总质量；
动量方程即公式(2)、能量方程即公式(3)与组分方程即公式(4)中的燃料喷注项，只需将燃料喷注的质量分布与相应参数相乘即可，分别为
(2)壁面摩擦项
燃烧室壁面的摩擦将对外围空气来流产生阻力，影响其动量方程，如公式(2)右侧源项所示；
壁面摩擦项其具体计算公式如下，
其中Cw为燃烧室当地周长，Cw＝πDw，其中Dw为直径；f为摩擦系数，可采用经验公式确定
其中Re为雷诺数；
(3)壁面换热项
燃烧室壁面的换热将对外围空气来流产生热量交换，影响其能量方程，如公式(3)右侧源项所示；
壁面换热项其计算公式如下，
其中T、Taw与Tw分别为燃烧室内气体静温，气体的壁面滞止温度与壁面温度；θw为燃烧室壁面与其中心线的交角；hw为燃烧室壁面的传热系数，可采用公式(13)确定
hw＝0.023Re0.8Pr0.3 (13)
其中Pr为普朗特数；
ε为燃烧室壁面的热辐射系数；σ为斯特藩-玻尔玆曼常数，取值为5.67×10-8Wm-2K-4；
(4)燃烧反应项
燃烧室内的燃烧反应将产生热量与组分变化，影响各个流管的能量和组分方程，如公式(3)，(4)中的右侧源项qr与
燃烧反应的速率采用阿累尼乌斯定律计算，其反应放热qr是反应物与生成物的标准生成焓之差，其反应物及生成物的质量变化式中，υ′i与υi为生成物与反应物的反应系数，Ai为组分i的物质的量浓度，k为燃烧速率；
(5)流管面积项
流管的流向的面积变化对流管内的气体产生压缩或扩张效应，会影响各个流管质量、动量、能量、组分方程，如公式(1)，(2)，(3)，(4)右侧源项所示；其面积沿流向的变化取决于流管前后的面积差
其中Aj、Aj+1代表流管在网格点j和j+1处的面积，dx代表网格点j和j+1之间的流向距离；
因此公式(1)中的流管面积变化项
公式(2)中的流管面积变化项
公式(3)中的流管面积变化项
公式(4)中的流管面积变化项
(6)混合层影响项
相邻流管间的相互混合作用将发生质量、动量、能量与组分的交换，影响其相应方程，如公式(1)，(2)，(3)和(4)右侧源项所示，其中公式(1)，(2)，(3)和(4)中的混合层影响项分别为和
其中，混合层增长即质量交换的速率是其中计算的关键，采用如下公式计算：
其中为混合层的增长率，采用如下模型计算
式中，ρ1、ρ2分别为流管1与2的密度，u1、u1分别为流管1与2的速度，a1、a2分别为流管1与2的声速，
5.根据权利要求1所述的组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法，其特征在于：S4中，各流管Euler方程左侧的空间对流项采用标准二阶NND求解格式进行计算。
6.根据权利要求1所述的组合发动机燃烧室内多股流动混合燃烧的计算方法，其特征在于：S6中采用的方法如下：
各个流管的面积由流管的压力平衡来确定，其调节规律总结如下：
当某个流管内压力高于各个流管的平均压力时，则该流管面积扩大，反之则缩小；其具体计算公式如下，
其中p为该流管的压力，pave为各个流管的平均压力，Ac为燃烧室的截面积，ca为调节系数，取ca＜1.0；
公式(19)能够保证各个流管的调节过程中，其总面积守恒，即
∑dA＝0 (20)
各个流管的面积之和始终等于燃烧室的截面积Ac。
7.一种适应于组合发动机燃烧室性能分析的单流管Euler方程模型，其特征在于，该模型包括公式(1)，(2)，(3)和(4)，该四个公式分别对应流管的质量、动量、能量和组分的控制方程：
其中t为时间；x为流管沿发动机流向距离；u为流管中的流动速度；ρ为流管中的流体密度；p为流管中的压强；A为流管的面积；Fw为流管受到的壁面摩擦力；mf为流管中单位时间的燃料喷注质量；mr为流管中单位时间化学反应的生成物质量；ms为流管中单位时间混合层交换的质量；uf为流管中燃料喷注的流向速度；us为流管中混合层质量交换的流向速度；e为流管中流体的内能；qw为流管中单位时间壁面的换热量；qr为流管中单位时间化学反应的放热量；ef为流管中燃料喷注的内能；es为流管中混合层流体交换的内能；Yi为流管中组分i的质量分数；Yfi为流管中燃料喷注组分i的质量分数；Ysi为流管中混合层流体交换组分i的质量分数；Yri为流管中化学反应物组分i的质量分数。
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