CN109840378A - 复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法，首先基于火箭箭体(包含一级发动机喷管)、发射系统的简化实体模型生成包含火箭箭体、发射系统的包络计算域；然后基于火箭箭体、发射系统特征结构、特征尺度将整个包络计算域分区划分，生成火箭箭体、发射系统的包络计算子域，以及过渡子域及外围子域；接着以一级发动机喷口直径为参考尺度，生成子域网格；最后对动态网格模型质量、分辨率、可行性综合评估。本发明方法能够解决包括复杂发射系统、箭体结构条件下动态燃气流场网格模型生成难题，同时可有效保证网格质量和数量，节约了计算资源，提高了计算效率。

Description

复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法

技术领域

本发明涉及复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型开发方法,属于燃气流场仿真领域。

背景技术

火箭在起飞过程中，喷管喷出的高温高速燃气流会对底部发射系统产生剧烈的冲击和烧蚀作用，因此需要在设计阶段明确起飞过程发射系统所处的力、热环境，用于指导发射系统的结构强度和热防护设计。工程上通常采用燃气流场仿真来获取燃气流对发射系统的力、热影响。

为准确模拟火箭动态起飞过程的燃气流场特性，需要采取非定常燃气流场仿真方法，这就需要用到动网格生成技术。对复杂发射条件的动态燃气流场仿真而言，其动网格生成具有以下困难：1.发射系统结构复杂性造成网格质量难以保证；2.箭体与发射系统在高度方向有交错，底部生成动网格的包络面难以划分；3.箭体下方及侧向空间紧张，对包络箭体子域划分与子域内网格的生成难度较稳态网格生成更大。

为保证计算结果的准确性，通常保留流场内各结构件的真实构型，并控制结构件表面的网格尺度，这样会带来网格量偏大的后果，而且非定常计算的求解量远大于定常计算，所以动态起飞燃气流场非定常仿真计算往往需要大量的计算资源和漫长的时间。为了避免计算资源和时间的无谓浪费，必须合理控制燃气流场计算动网格模型的网格质量和数量。因此需要一种可行的复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法，解决了紧凑空间下，箭体底部包络面生成的难题，有效保证网格质量和数量，节约了计算资源，提高了计算效率。

本发明的技术解决方案是：

复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法，包括如下步骤：

步骤1：对火箭箭体及发射系统的实体模型进行简化，所述火箭箭体包含一级发动机喷管；

步骤2：生成包含火箭箭体、发射系统的包络计算域，并划分子域；

步骤3：以一级发动机喷口直径为参考尺度，生成子域网格；

步骤4：对动态网格模型质量、分辨率、可行性综合评估，如果合理，则燃气流场网格模型生成结束，否则，对网格模型进行修正，直至网格模型合理。

所述步骤1中，简化包括以下几方面：

1)保留燃气流正冲范围的结构表面轮廓；

2)对结构表面小缝隙采取填充处理；

3)对背风区对流场几乎没有影响的凸起或凹陷外轮廓采取抹平处理；

4)对迎风区小尺度的结构凸起或凹陷采取抹平处理。

所述步骤2中，生成包络计算域的过程如下：

创建一个包含步骤1中简化实体模型的包络体，通过布尔运算将简化实体模型从体中差掉，得到的就是实体结构外的流场计算区域，即包含火箭箭体、发射系统的包络计算域。

所述步骤2中，划分子域的过程如下：

将包络计算域划分为运动子域和静止子域，运动子域是包络火箭箭体的子域，静止子域包括包络发射系统的子域和包络无特殊结构扰动的外围子域。

为保证动网格铺层质量，在火箭箭体与发射系统之间还设置特殊过渡子域。

所述步骤3中，子域网格生成包括运动子域和静止子域网格生成、特殊过渡子域网格动态生成。

运动子域和静止子域形成的区域中心为燃气流冲击和扰动核心区域；

运动子域和静止子域网格生成时，首先以喷管出口大小为参考，确定燃气流冲击和扰动核心区域网格尺度，核心区域网格尺度为喷管出口直径的1/25到1/100，随着网格位置与冲击扰动区域的距离增加，网格尺度逐渐增大。

基于火箭起飞弹道规划特殊过渡子域网格动态生成方法，当火箭起飞姿态接近垂直起飞状态时，采用在火箭底部特殊包络剖面铺层的方式生成动网格；当火箭起飞姿态严重偏离垂直起飞状态时，需要随计算进程重构生成特殊过渡子域网格。

在火箭底部特殊包络剖面铺层的方式生成动网格的方法如下：

在垂直火箭运动方向的过渡子域边界用呈“之字形”或“几字形”的特殊剖面包络,对位于特殊剖面包络之间的域采用铺层方式生成新网格，如果过渡子域包络于其它域之间时，平行火箭运动方向采用滑移交错网格差分求解的方式实现流场信息的传递。

动态网格模型质量的评估判据如下：网格内切圆与外接圆的比值大于0.1，则认为网格质量合格，否则不合格。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)为保证网格质量，本发明通过简化模型来避免尖劈、缝隙等特征影响网格质量，同时可采用细化局部网格的方法来优化复杂结构区域的网格质量。

(2)本发明在定常燃气流场网格模型生成的基础上加入了对包络箭体的运动子域、包络发射系统的静止子域划分和箭体与发射系统间的特殊过渡子域划分。在生成过渡子域动网格铺层包络面时，为了解决箭体与发射系统在高度方向的交错问题，底部采取了组合“之字形”或组合“几”字形特殊剖面包络，对箭体和发射系统结构进行避让的同时保证了动网格能够正常在包络面铺层，解决了紧凑空间下，箭体底部包络面生成的难题。

(3)在子域网格生成时，以喷管出口大小为参考，确定燃气流冲击和扰动核心区域网格尺度，随着网格位置与冲击扰动区域的距离增加，网格尺度逐渐增大。从而使得本发明在保证足够的网格分辨率条件下，有效控制了网格数量，节约了计算资源，提高了计算效率。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为“之字形”包络面示意图；

图3为“几字形”包络面示意图；

图4为火箭起飞燃气流场网格模型示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法，主要是在定常燃气流场网格模型生成的基础上加入了对包络箭体的运动子域划分和箭体与发射系统间的过渡子域划分。在生成过渡子域动网格铺层包络面时，为了解决箭体与发射系统在高度方向的交错问题，底部采取了组合“之字形”或组合“几”字形特殊剖面包络，对箭体和发射系统结构进行避让的同时保证了动网格能够正常在包络面铺层。

本发明具体步骤如图1所示，具体按如下步骤开展：

步骤1：对火箭箭体、一级发动机喷管及发射系统的实体模型进行简化

简化主要包括以下几方面：1.保留燃气流正冲范围的结构表面轮廓，以保证计算模型的准确性；2.对结构表面小缝隙采取填充处理；3.对背风区对流场几乎没有影响的凸起或凹陷外轮廓采取抹平处理；4.对迎风区小尺度的结构凸起或凹陷采取抹平处理。

步骤2：生成包含火箭箭体、发射系统的包络计算域，并基于火箭箭体、发射系统特征结构、特征尺度将整个包络计算域划分子域

在完成实体模型简化后，创建一个包含全部实体模型的包络体，通过布尔运算将实体模型从体中差掉，得到的就是实体结构外的流场计算区域，即包含火箭箭体、发射系统的包络计算域。

之后完成包络计算子域的划分，与定常计算的网格模型不同的是，动网格模型要将计算域划分为运动子域和静止子域，对火箭动态起飞流场计算而言，运动子域主要是包络火箭箭体的子域，静止子域包括包络发射系统的子域和无特殊结构扰动的外围包络子域。为保证动网格铺层质量，一般还要在火箭箭体与发射系统之间生成特殊过渡子域。

步骤3：子域网格生成

对上一步骤中划分的包络子域进行网格生成。对流场仿真计算而言，网格生成的重点是控制网格的分辨率和质量，在网格分辨率控制方面，以喷管出口大小为参考，确定燃气流冲击和扰动核心区域网格尺度，核心区域网格尺度可控制在喷管出口直径的1/25到1/100之间，而随着网格位置与冲击扰动区域的距离增加，网格尺度可逐渐增大。在网格质量控制方面，网格质量的评判标准有多种，本发明采用网格内切圆与外接圆的比值来判定，要求比值大于0.1。对于动态网格模型而言，由于要在箭体和发射装置间剖分包络面，留给网格调整的空间更小，网格质量更难控制。为保证网格质量，一方面通过简化模型来避免尖劈、缝隙等特征影响网格质量，另一方面可采用细化局部网格的方法来优化复杂结构区域的网格质量。

步骤4：基于火箭起飞弹道规划特殊过渡子域网格动态生成方法特殊过渡子域网格的生成方法根据火箭起飞弹道的不同可以分为两类，一种是火箭起飞姿态接近垂直起飞状态的情况，这种情况可以采用在火箭底部特殊包络剖面铺层的方式生成动网格，具体步骤是如图2和图3所示，先在垂直火箭运动方向的过渡子域边界用呈“之字形”或“几字形”的特殊剖面包络,其主要目的是对箭体和发射系统结构进行避让的同时保证动网格能够在火箭运动方向正常铺层，完成特殊剖面包络后可对位于特殊剖面包络之间的域采用铺层方式生成新网格，而如果过渡子域包络于其它域之间时，平行火箭运动方向采用滑移交错网格差分求解的方式实现流场信息的传递。对另一种火箭起飞姿态严重偏离垂直起飞状态的情况，则无法采用特殊包络面铺层的方式来生成动网格，需要随计算进程重构生成特殊过渡子域网格。

步骤5：对动态网格模型质量、分辨率、可行性综合评估

在完成全部网格生成后，对网格综合性能进行评估。对于网格质量和分辨率满足步骤3要求，且动网格能够顺利生成或重构的网格模型，则可开展动态起飞燃气流场仿真计算，若发现那一项没有满足要求，则继续对网格模型进行修正。如网格质量不满足要求，则采用细化局部网格的方法来优化复杂结构区域的网格质量。

生成的火箭起飞燃气流场网格模型示意图如图4所示。

本发明在定常燃气流场网格模型生成的基础上加入了对包络箭体的运动子域、包络发射系统的静止子域划分和箭体与发射系统间的特殊过渡子域划分。在生成过渡子域动网格铺层包络面时，为了解决箭体与发射系统在高度方向的交错问题，底部采取了组合“之字形”或组合“几”字形特殊剖面包络，对箭体和发射系统结构进行避让的同时保证了动网格能够正常在包络面铺层，解决了紧凑空间下，箭体底部包络面生成的难题。在子域网格生成时，以喷管出口大小为参考，确定燃气流冲击和扰动核心区域网格尺度，随着网格位置与冲击扰动区域的距离增加，网格尺度逐渐增大。从而使得本发明在保证足够的网格分辨率条件下，有效控制了网格数量，节约了计算资源，提高了计算效率。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：对火箭箭体及发射系统的实体模型进行简化，所述火箭箭体包含一级发动机喷管；

步骤2：生成包含火箭箭体、发射系统的包络计算域，并划分子域；

步骤3：以一级发动机喷口直径为参考尺度，生成子域网格；

步骤4：对动态网格模型质量、分辨率、可行性综合评估，如果合理，则燃气流场网格模型生成结束，否则，对网格模型进行修正，直至网格模型合理。

2.根据权利要求1所述的复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法，其特征在于：所述步骤1中，简化包括以下几方面：

1)保留燃气流正冲范围的结构表面轮廓；

2)对结构表面小缝隙采取填充处理；

3)对背风区对流场几乎没有影响的凸起或凹陷外轮廓采取抹平处理；

4)对迎风区小尺度的结构凸起或凹陷采取抹平处理。

3.根据权利要求1所述的复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法，其特征在于：所述步骤2中，生成包络计算域的过程如下：

创建一个包含步骤1中简化实体模型的包络体，通过布尔运算将简化实体模型从体中差掉，得到的就是实体结构外的流场计算区域，即包含火箭箭体、发射系统的包络计算域。

4.根据权利要求3所述的复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法，其特征在于：所述步骤2中，划分子域的过程如下：

将包络计算域划分为运动子域和静止子域，运动子域是包络火箭箭体的子域，静止子域包括包络发射系统的子域和包络无特殊结构扰动的外围子域。

5.根据权利要求4所述的复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法，其特征在于：为保证动网格铺层质量，在火箭箭体与发射系统之间还设置特殊过渡子域。

6.根据权利要求5所述的复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法，其特征在于：所述步骤3中，子域网格生成包括运动子域和静止子域网格生成、特殊过渡子域网格动态生成。

7.根据权利要求6所述的复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法，其特征在于：运动子域和静止子域形成的区域中心为燃气流冲击和扰动核心区域；

运动子域和静止子域网格生成时，首先以喷管出口大小为参考，确定燃气流冲击和扰动核心区域网格尺度，核心区域网格尺度为喷管出口直径的1/25到1/100，随着网格位置与冲击扰动区域的距离增加，网格尺度逐渐增大。

8.根据权利要求6所述的复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法，其特征在于：基于火箭起飞弹道规划特殊过渡子域网格动态生成方法，当火箭起飞姿态接近垂直起飞状态时，采用在火箭底部特殊包络剖面铺层的方式生成动网格；当火箭起飞姿态严重偏离垂直起飞状态时，需要随计算进程重构生成特殊过渡子域网格。

9.根据权利要求8所述的复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法，其特征在于：在火箭底部特殊包络剖面铺层的方式生成动网格的方法如下：

在垂直火箭运动方向的过渡子域边界用呈“之字形”或“几字形”的特殊剖面包络,对位于特殊剖面包络之间的域采用铺层方式生成新网格，如果过渡子域包络于其它域之间时，平行火箭运动方向采用滑移交错网格差分求解的方式实现流场信息的传递。

10.根据权利要求1所述的复杂发射条件火箭动态起飞燃气流场网格模型生成方法，其特征在于：动态网格模型质量的评估判据如下：网格内切圆与外接圆的比值大于0.1，则认为网格质量合格，否则不合格。