CN109726453B - 一种大面积比喷管侧向载荷预测方法、装置及介质 - Google Patents

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Abstract

一种大面积比喷管侧向载荷预测方法，包括如下步骤：步骤一、建立喷管模型，对喷管模型划分网格；确定燃烧气体参数；步骤二、预设喷管内流场的初始条件和喷管的边界条件；步骤三、对离散后的完全NS方程组进行定常计算，获得流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值；步骤四、将喷管壁面压力分布值与试验测试获得的喷管壁面压力分布值进行比较获得比较结果，当比较结果大于预设值时，转入步骤五，否则转入步骤六；步骤五、调整燃烧气体参数，然后转入步骤二；步骤六、将喷管的实际压力作为喷管的出口压力，对离散后的完全NS方程组进行非定常计算，获得喷管壁面实际压力分布值即可对喷管的侧向载荷进行预测。

Description

一种大面积比喷管侧向载荷预测方法、装置及介质
技术领域
本发明涉及一种大面积比喷管侧向载荷预测方法、装置及介质，属于大推力火箭发动机推进技术领域。
背景技术
随着航天推进技术的快速发展，现代火箭发动机愈来愈多采用大面积喷管以获得高推进效率和大比冲来提高整个火箭工作性能。然而，火箭发动机喷管的工作环境会跨越很宽的高度范围，为了在整个飞行过程中获得可接受的性能，喷管都是按中间环境压力设计的，而大部分情况下，大面积比喷管工作在非设计条件下，当背压高于设计值一定程度时，喷管会处于严重的过膨胀状态，由于过膨胀状态而引发的喷管内复杂激波演化过程会形成多种形式的流动分离现象，由此可能带来严重的侧向载荷问题，从而导致喷管的结构破坏。美国的J-2发动机、航天飞机主发动机、俄罗斯的RD-0120发动机、欧洲的火神发动机和日本的LE-7A等发动机的研制过程中,均遇到了比较严重的喷管侧向载荷问题。
近几十年来国外开展了大量的理论、实验及数值研究工作以解释喷管过膨胀状态下侧向载荷产生的物理机制及相关因素对侧向载荷幅值的影响，并取得了很多重要的进展。然而，由于喷管侧向载荷产生的物理机制十分复杂，对很多因素也十分敏感，到目前仍然没有明确的定论。目前,工业上一般靠大量试验以及保守设计来解决此问题，一定程度上造成了研制经费的浪费及喷管性能的牺牲。如何通过从理论上认识侧向载荷的形成机理并做到准确预测,最终指导喷管设计一直是国际上的研究热点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大面积比喷管侧向载荷预测方法、装置及介质，通过数值方法来模拟大面积比喷管过膨胀状态下的流动瞬态特性，并形成对喷管侧向载荷的预测方法，提高大面积比喷管的设计能力。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种大面积比喷管侧向载荷预测方法，包括如下步骤：
步骤一、建立喷管模型，对喷管模型划分网格；确定燃烧气体参数；
步骤二、预设喷管内流场的初始条件和喷管的边界条件；
步骤三、采用Roe格式对喷管内流场的完全NS方程组进行离散；然后对离散后的完全NS方程组进行定常计算，获得流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值；所述流场压力分布值包括喷管壁面压力分布值；
步骤四、将步骤三中所述的喷管壁面压力分布值与试验测试获得的喷管壁面压力分布值进行比较获得比较结果，当比较结果大于预设值时，转入步骤五，否则转入步骤六；
步骤五、调整燃烧气体参数，然后转入步骤二；
步骤六、将喷管的实际压力作为喷管的出口压力，将步骤三中所述的流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值作为喷管内流场的初值，对离散后的完全NS方程组进行非定常计算，获得喷管壁面实际压力分布值即可对喷管的侧向载荷进行预测。
上述大面积比喷管侧向载荷预测方法，步骤一采用结构网格对喷管模型进行网格划分。
上述大面积比喷管侧向载荷预测方法，根据燃料和氧化剂的混合比确定步骤一中所述的燃烧气体参数。
上述大面积比喷管侧向载荷预测方法，所述完全NS方程组的湍流模型使用一方程SA模型。
上述大面积比喷管侧向载荷预测方法，时间推进采用LU-SGS方法，对离散后的完全NS方程组进行定常或非定常计算。
上述大面积比喷管侧向载荷预测方法，所述燃烧气体参数包括比热比、分子量。
一种大面积比喷管侧向载荷预测装置，包括网格划分模块、参数设定模块、第一流场计算模块、结果判断模块、第二流场计算模块；
所述网格划分模块用于建立喷管模型，然后对喷管模型划分网格，并将网格发送给所述第一流场计算模块和第二流场计算模块；
所述参数设定模块用于确定燃烧气体参数、预设喷管内流场的初始条件、预设喷管的边界条件，然后将燃烧气体参数、预设喷管内流场的初始条件、预设喷管的边界条件发送给所述第一流场计算模块；
所述第一流场计算模块采用Roe格式对喷管内流场的完全NS方程组进行离散；然后对离散后的完全NS方程组进行定常计算，获得流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值；所述流场压力分布值包括喷管壁面压力分布值；第一流场计算模块将流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值发送给所述结果判断模块；
所述结果判断模块将喷管壁面压力分布值与试验测试获得的喷管壁面压力分布值进行比较获得比较结果，当比较结果大于预设值时，调整所述参数设定模块中的燃烧气体参数，重新计算；否则将所述第一流场计算模块获得的流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值发送给所述第二流场计算模块；
所述第二流场计算模块将喷管的实际压力作为喷管的出口压力，将所述第一流场计算模块获得的流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值作为喷管内流场的初值，采用Roe格式对喷管内流场的完全NS方程组进行离散；对离散后的完全NS方程组进行非定常计算，获得喷管壁面实际压力分布值即可对喷管的侧向载荷进行预测。
上述大面积比喷管侧向载荷预测装置，所述燃烧气体参数包括比热比、分子量。
上述大面积比喷管侧向载荷预测装置，所述网格划分模块采用结构网格对喷管模型进行网格划分。
上述大面积比喷管侧向载荷预测装置，所述参数设定模块根据燃料和氧化剂的混合比确定所述燃烧气体参数。
上述大面积比喷管侧向载荷预测装置，所述第一流场计算模块和第二流场计算模块的完全NS方程组的湍流模型均使用一方程SA模型。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该程序被处理器执行时实现上述大面积比喷管侧向载荷预测方法的步骤。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明的预测方法，大幅降低了研究成本低，可以替代部分地面实验，节约研制经费，具有良好的经济效益；
(2)本发明的预测方法周期短，弥补了地面实验周期长的不足；
(3)本发明的预测方法安全性高，克服了地面实验可能对实验设备及操作人员带来的危险；
(4)本发明的预测方法操作简单，可以快速地提供侧向载荷评估结果，为工程设计提供支撑。
附图说明
图1为本发明方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例的步骤流程图；
图3为本发明实施例的喷管外形及计算坐标系示意图；
图4为本发明实施例的喷管网格划分示意图；
图5为本发明实施例计算得到的壁面压力分布与试验数据对比；
图6为本发明实施例在0～0.9s的侧向力系数分布。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种大面积比喷管侧向载荷预测方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤101、建立喷管模型，采用结构网格对喷管模型进行网格划分；根据燃料和氧化剂的混合比确定燃烧气体参数；所述燃烧气体参数包括比热比、分子量；需要说明的是，分子量由混合比确定，但比热比跟燃烧产物及燃烧产物的温度有关，初始比热比只能按燃料种类及其与氧化剂的配比给定一个初值，跟实际燃烧中所产生气体的比热比可能会有偏差；
步骤102、预设喷管内流场的初始条件和喷管的边界条件；
步骤103、基于步骤101和102，采用Roe格式对喷管内流场的完全NS方程组进行离散；时间推进采用LU-SGS方法，然后对离散后的完全NS方程组进行定常计算，完全NS方程组的湍流模型使用一方程SA模型，获得流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值；所述流场压力分布值包括喷管壁面压力分布值；
步骤104、将步骤103中所述的喷管壁面压力分布值与试验测试获得的喷管壁面压力分布值进行比较获得比较结果，当比较结果大于预设值时，转入步骤105，否则转入步骤106；
步骤105、调整燃烧气体参数，具体调整范围一般不超过初始值的上下10％，然后转入步骤102；
步骤106、将喷管的实际压力作为喷管的出口压力，将步骤103中所述的流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值作为喷管内流场的初值，时间推进采用LU-SGS方法，对离散后的完全NS方程组进行非定常计算，完全NS方程组的湍流模型使用一方程SA模型，获得喷管壁面实际压力分布值即可对喷管的侧向载荷进行预测。
一种大面积比喷管侧向载荷预测装置，包括网格划分模块、参数设定模块、第一流场计算模块、结果判断模块、第二流场计算模块；
所述网格划分模块用于建立喷管模型，然后对喷管模型划分网格，并将网格发送给所述第一流场计算模块和第二流场计算模块；
所述参数设定模块用于确定燃烧气体参数、预设喷管内流场的初始条件、预设喷管的边界条件，然后将燃烧气体参数、预设喷管内流场的初始条件、预设喷管的边界条件发送给所述第一流场计算模块；
所述第一流场计算模块采用Roe格式对喷管内流场的完全NS方程组进行离散；然后对离散后的完全NS方程组进行定常计算，获得流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值；所述流场压力分布值包括喷管壁面压力分布值；第一流场计算模块将流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值发送给所述结果判断模块；
所述结果判断模块将喷管壁面压力分布值与试验测试获得的喷管壁面压力分布值进行比较获得比较结果，当比较结果大于预设值时，调整所述参数设定模块中的燃烧气体参数，重新计算；否则将所述第一流场计算模块获得的流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值发送给所述第二流场计算模块；
所述第二流场计算模块将喷管的实际压力作为喷管的出口压力，将所述第一流场计算模块获得的流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值作为喷管内流场的初值，采用Roe格式对喷管内流场的完全NS方程组进行离散；对离散后的完全NS方程组进行非定常计算，获得喷管壁面实际压力分布值即可对喷管的侧向载荷进行预测。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述大面积比喷管侧向载荷预测方法的步骤。
实施例：
一种大面积比喷管侧向载荷预测方法，其步骤流场如图2所示，计算所采用的某大面积比喷管模型及计算坐标系如图3所示，以燃烧室出口作为喷管的入口，由收缩段和扩张段两部分组成。燃烧室出口直径52.197mm，喉道直径25.4mm，出口直径813.2mm，面积比为1025：1。网格划分如图4所示，为捕捉非对称现象，计算网格旋转360°得到，未作对称性假设。壁面压力分布按z＝0平面与喷管壁面的相交的子午线给出，θ＝0°表示y轴负方向子午线，θ＝180°表示y轴正方向子午线。侧向气动力系数计算的参考点位于坐标原点，即喷管入口中心，参考面积为喉道横截面积，参考长度为喷管长度。本发明为了预测大面积比喷管侧向载荷，提供了一种数值方法，步骤如下：
(1)采用结构网格对形如图3的大面积比喷管数值建模并进行网格划分，本发明采用的壁面网格尺寸为0.001mm；
(2)按试验状态给出初始条件，即入口总压和出口静压，本发明给出的入口总压为352.3psi，出口静压为0.0367psi，其中psi为英制压力单位，1psi＝6894.8Pa；流场初值(压力、密度、温度、速度)按定常计算结果给定；
(3)气体参数按如下方法给出：比热比γ＝1.2，粘性系数μ按Sutherland公式给出，气体分子量按燃料与氧化剂的质量混合比确定，本发明验证的是氢/氧燃料发动机，氧气与氢气的质量混合比为5.49，推算得到气体分子量为9.66；
(4)喷管壁面按无滑移、绝热壁面处理；
(5)采用Roe格式对完全NS方程组进行求解，时间推进采用LU-SGS方法，进行定常计算，得到流场的密度、压力和温度分布；
(6)对步骤(5)中得到的喷管的壁面压力分布和试验值进行比较，以确定气体模型参数是否需要修正；当二者的方差小于等于10％时，认为二者吻合较好时，如图5所示，进入下一步骤；否者调整燃烧气体参数，重新计算；
(7)将步骤(5)中得到的定常计算结果作为初值，以一个大气压作为喷管出口压力，开展非定常计算，本发明计算至0.9s，y方向和z方向的侧向力系数随时间的变化如图6所示，其中Cy和Cz分别表示y方向和z方向的侧向力系数；除了在0-0.15s有大的侧向力脉动外，在0.5-0.55s也存在剧烈的侧向载荷脉动。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种大面积比喷管侧向载荷预测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、建立喷管模型，对喷管模型划分网格；确定燃烧气体参数；
步骤二、预设喷管内流场的初始条件和喷管的边界条件；
步骤三、采用Roe格式对喷管内流场的完全NS方程组进行离散；然后对离散后的完全NS方程组进行定常计算，获得流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值；所述流场压力分布值包括喷管壁面压力分布值；
步骤四、将步骤三中所述的喷管壁面压力分布值与试验测试获得的喷管壁面压力分布值进行比较获得比较结果，当比较结果大于预设值时，转入步骤五，否则转入步骤六；
步骤五、调整燃烧气体参数，然后转入步骤二；
步骤六、将喷管的实际压力作为喷管的出口压力，将步骤三中所述的流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值作为喷管内流场的初值，对离散后的完全NS方程组进行非定常计算，获得喷管壁面实际压力分布值即可对喷管的侧向载荷进行预测；
根据燃料和氧化剂的混合比确定步骤一中所述的燃烧气体参数；
所述完全NS方程组的湍流模型使用一方程SA模型；
时间推进采用LU-SGS方法，对离散后的完全NS方程组进行定常或非定常计算。
2.根据权利要求1所述的一种大面积比喷管侧向载荷预测方法，其特征在于：步骤一采用结构网格对喷管模型进行网格划分。
3.根据权利要求1所述的一种大面积比喷管侧向载荷预测方法，其特征在于：所述燃烧气体参数包括比热比、分子量。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该程序被处理器执行时实现权利要求1～3之一所述方法的步骤。
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火箭发动机喷管摆动对侧向载荷的影响;刘华伟等;《固体火箭技术》;20161031(第05期);全文 *
火箭发动机喷管非定常侧向力和流固耦合研究进展;叶正寅等;《航空工程进展》;20150228(第01期);全文 *

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