CN109858153B - 火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法，首先建立燃气流场仿真网格模型和固体有限元仿真网格模型，然后判断燃气流场仿真网格模型和固体有限元仿真网格模型的耦合边界几何特征及流场分布特征，最后根据耦合边界几何特征及流场分布特征，确定流固耦合边界条件。本发明解决了火箭发射燃气流冲击条件下，燃气流场仿真及固体有限元仿真在分界面上的信息传递问题。

Description

火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法

技术领域

本发明涉及火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法,属于发射燃气动力学领域。

背景技术

火箭发射时，发动机喷管喷出的高温高速燃气流会对地面设备产生力、热作用，这些地面设备受到的力、热影响都作为地面设备设计的边界依据。燃气流场仿真是获取地面设备力、热影响的一种常用手段。在燃气流场仿真完成后，可根据需要提取计算结果，目前的燃气流场仿真结果中可以提取结构表面燃气参数分布，作为后续的结构仿真的边界输入。例如，完成某个工况燃气流场计算后，可以提取特征面上的压力分布情况，作为后续结构强度计算的输入边界。

对于简单计算模型而言，可以较容易地保持流体计算模型与固体计算模型一致，并且在结构表面上采用相同的网格划分，这样可以直接实现由流体计算参数向固体计算参数的赋值，而不需要进行特殊处理。但对于复杂工程计算模型而言，一方面在进行燃气流场仿真和结构有限元仿真时的模型很难保持一致，另一方面即使进行燃气流场仿真及结构有限元仿真时的模型一致时，两者的网格划分也会存在差异，这样会导致燃气流场仿真结果与结构有限元仿真的输入边界不能一一对应，在以往的计算中，结构有限元仿真时通常会选取燃气流仿真结果的最大值以包络设计，这样会导致结构有限元仿真的边界输入与燃气流场仿真的结果差异较大。因此需要一种能够确定火箭发射燃气流冲击条件下的流固耦合边界条件的方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法。

本发明的技术解决方案是：

火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法，包括如下步骤：

步骤1：建立燃气流场仿真网格模型和固体有限元仿真网格模型，两种网格模型以结构表面为分界面；

步骤2：判断燃气流场仿真网格模型和固体有限元仿真网格模型的耦合边界几何特征及流场分布特征；

步骤3：根据耦合边界几何特征及流场分布特征，确定流固耦合边界条件。

耦合边界几何特征及流场分布特征包括结构表面几何边界规则并且流场参数分布具有规律性的情况，以及结构表面几何边界复杂或流场参数分布无明显规律性的情况。

所述步骤3中，当结构表面几何边界规则并且流场参数分布具有规律性时，采用规则边界的流场参数拟合直接赋值方法确定流固耦合边界条件；当结构表面几何边界复杂或流场参数分布无明显规律性时，采用基于面单元的加权余量处理方法或基于体单元的加权余量处理方法确定流固耦合边界条件。

采用规则边界的流场参数拟合直接赋值方法确定流固耦合边界条件的实现方式如下：

在燃气流场仿真网格模型和固体有限元仿真网格模型分界面上，绘制同心圆，形成多个分区，通过流场参数拟合赋予每个分区相同的参数值，得到每个分区的流固耦合边界条件。

燃气流场计算结果能够直接给出结构表面燃气流分布参数的，采用基于面单元的加权余量处理方法确定流固耦合边界；燃气流场计算结果不能够直接给出结构表面燃气流分布参数的，基于结构表面相邻的体单元燃气流参数，采用体单元加权余量处理方法确定流固耦合边界。

采用基于面单元的加权余量处理方法确定流固耦合边界条件的实现方式如下：

利用如下公式确定燃气流场仿真网格模型和固体有限元仿真网格模型分界面上任意有限元仿真面单元上的标量参数和矢量参数：

为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界面单元上的标量参数，

为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界面单元上的标量参数，L_ij为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界面单元形心O_FEA,j与燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界面单元形心O_CFD,i的距离，

为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界面单元上的矢量参数，

为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界面单元上的矢量参数，以边界面单元形心处的值表示；N为燃气流场仿真网格模型中待计算的边界面单元个数。

N为满足如下条件的燃气流场仿真网格模型边界面单元个数：

L_ij≤R_CFD,i+R_FEA,j

其中R_CFD,i为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界面单元的外接圆半径，R_FEA,j为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界面单元的外接圆半径。

采用基于体单元的加权余量处理方法确定流固耦合边界条件的实现方式如下：

其中：

为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界体单元上的标量参数，

为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界体单元上的标量参数，L′_ij为两网格单元形心O′_FEA,j与O′_CFD,i之间的距离，

为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界体单元上的矢量参数，

为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界体单元上的矢量参数，M为燃气流场仿真网格模型中待计算的边界体单元个数。

M为满足如下条件的燃气流场仿真网格模型边界体单元个数：

L′_ij≤R′_CFD,i+R′_FEA,j

其中R′_CFD,i为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界体单元的外接球半径，R′_FEA,j为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界体单元的外接球半径。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明给出了一种流固耦合边界条件确定方法，在火箭发射燃气流冲击条件下，解决了燃气流场仿真及固体有限元仿真在分界面上的信息传递问题。

(2)本发明燃气流冲击条件下流场特性以及耦合边界几何特征，提出了两种流固耦合边界条件确定方法，规则边界的流场参数拟合直接赋值方法快速方便，节省时间；基于面单元的加权余量处理方法具有通用性，能够准确地得到流固耦合边界条件。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为保温筒顶盖燃气流压力分布示意图；

图3为保温筒顶盖受燃气流载荷示意图；

图4为燃气流场仿真的面单元与固体有限元仿真的的面单元之间关系示意图，其中1为燃气流场仿真单元，2为燃气流场仿真单元形心O_CFD,i，3为L_ij，4为有限元仿真单元形心O_FEA,j，5为有限元仿真单元。

具体实施方式

火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法的具体实施步骤参考图1：

步骤1：建立燃气流场仿真网格模型和固体有限元仿真网格模型，两种网格模型以结构表面为分界面；

对于燃气流冲击条件下的流固耦合问题，需要同时建立燃气流场仿真网格模型和固体有限元仿真网格模型。两种网格模型以结构表面为分界面，在结构表面上同时存在燃气流场仿真网格和固体有限元仿真网格，如果两种网格单元完全一致，则可直接将燃气流场仿真单元上的参数赋值到相应固体有限元仿真单元上，但工程上大多数情况两种网格是不一致的，需要对结构表面上边界单元的物理参数做进一步处理，实现两种网格间信息的传递。

步骤2：判断耦合边界几何特征及流场分布特征

完成网格模型开发后，需要对耦合边界的几何特征及流场分布特征进行判断，对于结构表面几何边界规则并且流场参数分布具有规律性的情况，可以采用将流场参数分区拟合后直接赋值的方法，对于结构表面几何边界较复杂或流场参数分布无明显规律性的情况，燃气流场计算结果能够直接给出结构表面燃气流分布参数的，采用基于面单元的加权余量处理方法确定流固耦合边界；燃气流场计算结果不能够直接给出结构表面燃气流分布参数的，基于结构表面相邻的体单元燃气流参数，采用体单元加权余量处理方法确定流固耦合边界。如对于热流、噪声等特殊参数的仿真计算，其参数信息基于体单元存储，无法采用结构表面单元来确定边界条件，只能采用基于体单元的加权余量处理方法。

步骤3：确定流固耦合边界条件

根据上一步骤选择的流固耦合边界条件确定方法得到流固耦合计算边界条件，

1规则边界的流场参数拟合直接赋值方法

以某保温筒顶盖计算为例，燃气流冲击在结构件表面后，压力载荷分布通常是规律的近似同心圆、椭圆，如图2所示。针对这类流场参数分布具有较规则边界的情况，可以在结构件表面绘制同心圆、椭圆的方法来进行分区，将每个分区中的流场参数进行拟合，赋于每个区域相同的参数值，如图3所示，得到每个分区的流固耦合边界条件。这样可以大大简化边界条件的设置，并且保持较高的准确度。

2基于面单元的加权余量处理方法

燃气流场仿真结果可以给出面单元结点上的标量参数或矢量参数分布结果，可采用下述基于加权余量的插值拟合方法确定任意有限元仿真面单元上的参数值：

(1)-(2)式中：

为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界面单元上的标量参数，

为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界面单元上的标量参数，在计算中一般认为各物理量在网格单元内线性分布，则

可由该网格单元形心O_FEA,j处的参数值表示，同理

可由网格单元形心O_CFD,i处的参数值表示。L_ij为两边界面单元形心O_FEA,j与O_CFD,i之间的距离，

为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界面单元上的矢量参数，

为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界面单元上的矢量参数，以边界面单元形心处的值表示；燃气流场仿真的面单元与固体有限元仿真的的面单元之间关系示意图如图4所示。

N为燃气流场仿真网格模型中待计算的边界面单元个数。具体确定方法如下：

在边界单元处理过程中，为了节省计算资源，提高计算效率，一般只选用固体有限元仿真边界面单元附近的燃气流场仿真边界单元进行加权余量处理，具体应满足如下标准：

L_ij≤R_CFD,i+R_FEA,j

其中R_CFD,i为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界面单元的外接圆半径，R_FEA,j为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界单元的外接圆半径，即只选取满足两边界单元的形心距离小于两边界单元外接圆半径之和的燃气流场仿真单元进行加权余量处理。

3基于体单元的加权余量处理方法

结构表面两侧分别为流体仿真边界体单元与固体仿真边界体单元，由燃气流场仿真结果可以得到流体仿真边界体单元的参数值，可采用下述基于体单元的加权余量处理方法确定另一侧固体仿真边界体单元上的参数值：

(3)-(4)式中：

为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界体单元上的标量参数，

为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界体单元上的标量参数，在计算中一般认为各物理量在网格单元内线性分布，则

可由该网格单元形心O′_FEA,j处的参数值表示，同理

可由网格单元形心O′_CFD,i处的参数值表示。L′_ij为两网格单元形心O′_FEA,j与O′_CFD,i之间距离，

为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界体单元上的矢量参数，

为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界体单元上的矢量参数。

M为燃气流场仿真网格模型中待计算的边界体单元个数。具体确定方法如下：

一般选用固体有限元仿真边界体单元附近的燃气流场仿真边界单元进行加权余量处理，具体应满足如下标准：

L′_ij≤R′_CFD,i+R′_FEA,j

其中R′_CFD,i为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界体单元的外接球半径，R′_FEA,j为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界体单元的外接球半径，即只选取满足两边界体单元的形心距离小于两边界体单元外接球半径之和的燃气流场仿真单元进行加权余量处理。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：建立燃气流场仿真网格模型和固体有限元仿真网格模型，两种网格模型以结构表面为分界面；

步骤2：判断燃气流场仿真网格模型和固体有限元仿真网格模型的耦合边界几何特征及流场分布特征；

步骤3：根据耦合边界几何特征及流场分布特征，确定流固耦合边界条件。

2.根据权利要求1所述的火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法，其特征在于：耦合边界几何特征及流场分布特征包括结构表面几何边界规则并且流场参数分布具有规律性的情况，以及结构表面几何边界复杂或流场参数分布无明显规律性的情况。

3.根据权利要求2所述的火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法，其特征在于：所述步骤3中，当结构表面几何边界规则并且流场参数分布具有规律性时，采用规则边界的流场参数拟合直接赋值方法确定流固耦合边界条件；当结构表面几何边界复杂或流场参数分布无明显规律性时，采用基于面单元的加权余量处理方法或基于体单元的加权余量处理方法确定流固耦合边界条件。

4.根据权利要求3所述的火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法，其特征在于：采用规则边界的流场参数拟合直接赋值方法确定流固耦合边界条件的实现方式如下：

在燃气流场仿真网格模型和固体有限元仿真网格模型分界面上，绘制同心圆，形成多个分区，通过流场参数拟合赋予每个分区相同的参数值，得到每个分区的流固耦合边界条件。

5.根据权利要求3所述的火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法，其特征在于：燃气流场计算结果能够直接给出结构表面燃气流分布参数的，采用基于面单元的加权余量处理方法确定流固耦合边界；燃气流场计算结果不能够直接给出结构表面燃气流分布参数的，基于结构表面相邻的体单元燃气流参数，采用体单元加权余量处理方法确定流固耦合边界。

6.根据权利要求5所述的火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法，其特征在于：采用基于面单元的加权余量处理方法确定流固耦合边界条件的实现方式如下：

利用如下公式确定燃气流场仿真网格模型和固体有限元仿真网格模型分界面上任意有限元仿真面单元上的标量参数和矢量参数：

为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界面单元上的标量参数，

为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界面单元上的标量参数，L_ij为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界面单元形心O_FEA,j与燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界面单元形心O_CFD,i的距离，

为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界面单元上的矢量参数，

为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界面单元上的矢量参数，以边界面单元形心处的值表示；N为燃气流场仿真网格模型中待计算的边界面单元个数。

7.根据权利要求6所述的火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法，其特征在于：N为满足如下条件的燃气流场仿真网格模型边界面单元个数：

L_ij≤R_CFD,i+R_FEA,j

其中R_CFD,i为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界面单元的外接圆半径，R_FEA,j为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界面单元的外接圆半径。

8.根据权利要求5所述的火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法，其特征在于：采用基于体单元的加权余量处理方法确定流固耦合边界条件的实现方式如下：

其中：

为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界体单元上的标量参数，

为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界体单元上的标量参数，L′_ij为两网格单元形心O′_FEA,j与O′_CFD,i之间的距离，

为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界体单元上的矢量参数，

为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界体单元上的矢量参数，M为燃气流场仿真网格模型中待计算的边界体单元个数。

9.根据权利要求8所述的火箭发射燃气流冲击条件下流固耦合边界条件确定方法，其特征在于：M为满足如下条件的燃气流场仿真网格模型边界体单元个数：

L′_ij≤R′_CFD,i+R′_FEA,j

其中R′_CFD,i为燃气流场仿真网格模型中标序为i的边界体单元的外接球半径，R′_FEA,j为固体有限元仿真网格模型中标序为j的边界体单元的外接球半径。

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