CN109871603B - 复杂发射技术条件的燃气流场预示方法 - Google Patents

Abstract

一种复杂发射技术条件的燃气流场预示方法，首先以喷口直径为参考尺度开发计算网格模型；然后采用一阶精度数值模拟方法，快速预示并得到燃气流场基本分布规律、变化规律以及发射系统、火箭承受的燃气流冲击载荷随火箭起飞高度或时间的基本变化规律；接着对燃气流场计算结果初步评估，若发现计算结果不收敛或流场分布不合理，则对网格模型进行修正；后续采用二阶以上精度进一步预示燃气流场，并进行进一步评估，最终得到燃气流场细节分布规律，以及发射系统、火箭承受的燃气流冲击载荷随时间或弹道的细节变化规律。本发明能够系统且精细地预示火箭发射燃气流场及燃气流冲击载荷，同时有效减少了预示工作的反复，保证了计算结果的可信度及精度。

Description

复杂发射技术条件的燃气流场预示方法

技术领域

本发明涉及复杂发射技术条件的燃气流场预示方法,属于燃气流场仿真领域。

背景技术

大吨位运载火箭为确保安全发射，往往配套很多提高安全性的辅助设备，如导流装置、牵制臂、摆杆、热防护罩、锁紧机构等，这增加系统了复杂性，也直接造成了大吨位运载火箭起飞过程燃气流推进、扰流的复杂性，以公路机动发射为例，经火箭发动机喷出的燃气流将承受导流装置反冲作用、发射台牵制臂(或支承臂)以及支腿、框架等异形结构的扰流作用，从而燃气流流动形式极其复杂。

复杂发射技术条件的燃气流场预示往往具有以下几点困难：一是其依据的网格模型往往十分复杂，网格数量十分庞大，在当前条件下网格质量及分辨率难以达到理想状况；二是复杂燃气流计算建模及计算进程周期都很长，往往以月计，计算工况以及计算进程不能轻易往复；三是复杂燃气流计算进程受影响因素很多，容易出现发散，计算结果的可信度及精度难以一次到位。

燃气流场仿真是发射技术方案论证的第一环节，是决定火箭起飞姿态、发射系统总体方案设计特别是气动布局设计的重要参考，同时也是发射系统(或设施)热防护的重要依据。由于复杂发射技术条件的燃气流场预示在技术上的难度和工程上的重要作用，需要建立一套准确可靠的复杂发射技术条件燃气流场预示方法，确保获得正确可信的预示结果。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供复杂发射技术条件的燃气流场预示方法，减少了校验工作，缩短了预示周期，保证了计算结果的可信度及精度。

本发明的技术解决方案是：

复杂发射技术条件的燃气流场预示方法，包括如下步骤：

步骤1：以喷口直径为参考尺度开发计算网格模型；

步骤2：利用发动机稳定工作条件及理想弹道条件，采用一阶精度数值模拟方法快速预示并得到燃气流场基本分布规律、变化规律以及发射系统、火箭承受的燃气流冲击载荷随火箭起飞高度或时间的基本变化规律；

步骤3：对步骤2的燃气流场计算结果初步评估，若发现计算结果不收敛或流场分布不合理，则对网格模型进行修正；反之，进入步骤4；

步骤4：依据发动机工作逐渐建压条件及理想弹道条件，采用二阶以上精度进一步预示燃气流场，得到燃气流场细节分布规律，以及发射系统、火箭承受的燃气流冲击载荷随时间或弹道的细节变化规律；

步骤5：对步骤4的燃气流场计算结果进一步评估，若有问题，则修改区域网格模型或计算条件，直至评估没有问题；若未发现问题，则预示完成，输出计算结果。

所述步骤1中，生成区域网格模型的步骤如下：

(2.1)对火箭及发射系统实体结构模型进行简化，得到流场计算模型；

(2.2)以喷口为中心对发射燃气流场计算域进行分区划分；

(2.3)基于喷管尺寸生成核心区域面网格及燃气流场外围网格；

(2.4)基于喷管尺寸生成子区域体网格。

所述步骤(2.1)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(2.2)中，进行分区划分的步骤如下：

(4.1)在流场计算域范围内，以喷口中心为参考中心，以喷口直径为参考尺寸，界定扰动核心区域，即核心区域，再从核心区域向外延伸，得到燃气流场外围区域；

(4.2)对核心区域进行结构特征面识别，沿结构特征面中的水平面、竖直面、对称面进行剖分，得到计算分区；

(4.3)切分过程保持分好的相邻区块子区面共面，实现区块对接。

所述步骤(2.3)中，基于喷管尺寸生成核心区域面网格及燃气流场外围网格的方法如下：

喷管出口与核心区域面网格尺寸之间的关系如下：L＝αD

其中L为燃气流冲击扰动区域网格边长，D为喷管出口直径，α取值范围为0.01-0.04；

随着网格位置与燃气流冲击扰动区域的距离增加，燃气流场外围网格的尺度逐渐增大。

所述步骤(2.4)中，基于喷管尺寸生成子区域体网格的方法如下：

(6.1)核心区域体网格尺寸与喷管出口之间的关系如下：L′＝αD

其中L′为核心区域体网格边长，D为喷管出口直径，α取值范围为0.01-0.04；

(6.2)所有已划分的面网格均作为体网格的一个网格面；

(6.3)根据子区域特征确定体网格类型。

所述步骤3中，对燃气流场计算结果初步评估的过程如下：

(7.1)通过各方程残差值大小及流场计算域进出口质量流量是否平衡来评估计算结果是否收敛；

(7.2)识别燃气流场的特征位置，采用典型燃气流场模型与预示得到的燃气流场中的局部类似流场进行对比，如果两者燃气流场分布规律偏差在预先定义的偏差范围内，则认为流场分布合理，否则不合理。

所述步骤5中，对燃气流场计算结果进一步评估的方法如下：

(8.1)通过各方程残差值大小及流场计算域进出口质量流量是否平衡来评估计算结果是否收敛，如果不收敛，则计算结果有问题；

(8.2)通过改变单一计算条件复算的方法完成网格分辨率校验、数值算法校验、湍流模型校验和边界条件校验，如果任一项校验不通过，则计算结果有问题。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过两步预示评估的方法完成燃气流场的计算。先通过一阶精度算法快速计算燃气流场预示结果，对燃气流场分布及变化趋势进行初步评估，然后采用二阶以上精度算法对燃气流场进一步预示，完成计算结果的二次评估，最终得到高精度的可靠的预示结果。这种方法加强了对燃气流场预示的过程控制，一方面能够提早发现问题，避免了计算资源和时间的浪费，另一方面能够通过两步计算完成计算结果的校验，保证了计算结果的可信度及精度。

(2)本发明网格模型生成主要包括实体处理和网格划分两部分内容。实体处理部分主要对实体模型进行简化处理，避免网格划分失败或影响网格质量。网格划分主要是将燃气流场计算域划分为计算网格，以火箭喷管为基准，对计算域进行分区，并且基于喷管大小确定划分网格尺度，这样既能够保证足够的网格分辨率，也能有效控制网格数量，提高计算效率。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

复杂发射技术条件的燃气流场预示方法的主要思路是通过两步预示评估的方法完成燃气流场的计算。先通过一阶精度算法快速计算燃气流场预示结果，对燃气流场分布及变化趋势进行初步评估，然后采用二阶以上精度算法对燃气流场进一步预示，分析两种计算结果整体规律是否一致，完成计算结果的二次评估，最终得到高精度的可靠的预示结果。这种方法加强了对燃气流场预示的过程控制，一方面能够提早发现问题，避免了计算资源和时间的浪费，另一方面能够通过两步计算完成计算结果的校验，得到更加可靠的计算结果。

复杂发射技术条件的燃气流场预示方法的具体步骤如图1所示，具体按以下步骤开展：

步骤1：以喷口直径为参考尺度开发计算网格模型

生成区域网格模型的步骤如下：

1.1对火箭及发射系统实体结构模型进行简化，得到流场计算模型；

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。

1.2以喷口为中心对发射燃气流场计算域进行分区划分；

1)在流场计算域范围内，以喷口中心为参考中心，以喷口直径为参考尺寸，界定扰动核心区域，即核心区域，再从核心区域向外延伸，得到燃气流场外围区域；

2)对核心区域进行结构特征面识别，沿结构特征面中的水平面、竖直面、对称面进行剖分，得到计算分区；

3)切分过程保持分好的相邻区块子区面共面，实现区块对接。

1.3基于喷管尺寸生成核心区域面网格及燃气流场外围网格；

喷管出口与核心区域面网格尺寸之间的关系如下：L＝αD

其中L为燃气流冲击扰动区域网格边长，D为喷管出口直径，α取值范围为0.01-0.04。

随着网格位置与燃气流冲击扰动区域的距离增加，燃气流场外围网格的尺度逐渐增大。

1.4基于喷管尺寸生成子区域体网格；

1)核心区域体网格尺寸与喷管出口之间的关系如下：L′＝αD

其中L′为核心区域体网格边长，D为喷管出口直径，α取值范围为0.01-0.04；

2)所有已划分的面网格均作为体网格的一个网格面；

3)根据子区域特征确定体网格类型。

步骤2：采用一阶精度算法预示燃气流场分布及变化规律

利用发动机稳定工作条件及理想弹道条件，采用一阶精度数值模拟方法快速预示并得到燃气流场基本分布规律、变化规律以及发射系统、火箭承受的燃气流冲击载荷随火箭起飞高度(时间)的基本变化规律。

步骤3：燃气流场计算结果初步评估，若发现计算结果不收敛或流场分布不合理，则对网格模型进行修正；反之，进入步骤4。

对一阶精度燃气流场计算结果进行初步评估。首先评估计算结果是否收敛，主要通过各方程残差值大小及流场计算域进出口质量流量是否平衡来判断，之后对燃气流场分布规律进行评估，通过对燃气流场的特征位置进行识别，采用典型燃气流场模型对复杂燃气流场中的局部类似流场结构进行对比，初步评估计算结果的合理性，若发现计算结果不收敛或流场分布不合理，则对网格模型进行修正。

步骤4：采用二阶以上精度算法对燃气流场进一步预示

依据发动机工作逐渐建压条件及理想弹道条件，采用二阶及以上精度数值模拟方法得到燃气流场细节分布规律，以及发射系统、火箭承受的燃气流冲击载荷随时间或弹道的细节变化规律

步骤5：对步骤4的燃气流场计算结果进一步评估

对二阶及以上精度计算结果做进一步评估。同样先评估计算结果是否收敛，然后通过改变单一计算条件复算的方法完成网格分辨率校验、数值算法校验、湍流模型校验和边界条件校验，若评估发现问题，则针对问题原因进行修改，若未发现问题，则预示完成，输出计算结果。

本发明通过两步预示评估的方法完成燃气流场的计算。先通过一阶精度算法快速计算燃气流场预示结果，对燃气流场分布及变化趋势进行初步评估，然后采用二阶以上精度算法对燃气流场进一步预示，完成计算结果的二次评估，最终得到高精度的可靠的预示结果。这种方法加强了对燃气流场预示的过程控制，一方面能够提早发现问题，避免了计算资源和时间的浪费，另一方面能够通过两步计算完成计算结果的校验，保证了计算结果的可信度及精度。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.复杂发射技术条件的燃气流场预示方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：以喷口直径为参考尺度开发计算网格模型；

步骤2：利用发动机稳定工作条件及理想弹道条件，采用一阶精度数值模拟方法快速预示并得到燃气流场基本分布规律、变化规律以及发射系统、火箭承受的燃气流冲击载荷随火箭起飞高度或时间的基本变化规律；

步骤3：对步骤2的燃气流场计算结果初步评估，若发现计算结果不收敛或流场分布不合理，则对网格模型进行修正；反之，进入步骤4；

步骤4：依据发动机工作逐渐建压条件及理想弹道条件，采用二阶以上精度进一步预示燃气流场，得到燃气流场细节分布规律，以及发射系统、火箭承受的燃气流冲击载荷随时间或弹道的细节变化规律；

步骤5：对步骤4的燃气流场计算结果进一步评估，若有问题，则修改区域网格模型或计算条件，直至评估没有问题；若未发现问题，则预示完成，输出计算结果。

2.根据权利要求1所述的复杂发射技术条件的燃气流场预示方法，其特征在于：所述步骤1中，生成区域网格模型的步骤如下：

(2.1)对火箭及发射系统实体结构模型进行简化，得到流场计算模型；

(2.2)以喷口为中心对发射燃气流场计算域进行分区划分；

(2.3)基于喷管尺寸生成核心区域面网格及燃气流场外围网格；

(2.4)基于喷管尺寸生成子区域体网格。

3.根据权利要求2所述的复杂发射技术条件的燃气流场预示方法，其特征在于：所述步骤(2.1)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。

4.根据权利要求2所述的复杂发射技术条件的燃气流场预示方法，其特征在于：所述步骤(2.2)中，进行分区划分的步骤如下：

(4.1)在流场计算域范围内，以喷口中心为参考中心，以喷口直径为参考尺寸，界定扰动核心区域，即核心区域，再从核心区域向外延伸，得到燃气流场外围区域；

(4.2)对核心区域进行结构特征面识别，沿结构特征面中的水平面、竖直面、对称面进行剖分，得到计算分区；

(4.3)切分过程保持分好的相邻区块子区面共面，实现区块对接。

5.根据权利要求2所述的复杂发射技术条件的燃气流场预示方法，其特征在于：所述步骤(2.3)中，基于喷管尺寸生成核心区域面网格及燃气流场外围网格的方法如下：

喷管出口与核心区域面网格尺寸之间的关系如下：L＝αD

其中L为燃气流冲击扰动区域网格边长，D为喷管出口直径，α取值范围为0.01-0.04；

随着网格位置与燃气流冲击扰动区域的距离增加，燃气流场外围网格的尺度逐渐增大。

6.根据权利要求2所述的复杂发射技术条件的燃气流场预示方法，其特征在于：所述步骤(2.4)中，基于喷管尺寸生成子区域体网格的方法如下：

(6.1)核心区域体网格尺寸与喷管出口之间的关系如下：L′＝αD

其中L′为核心区域体网格边长，D为喷管出口直径，α取值范围为0.01-0.04；

(6.2)所有已划分的面网格均作为体网格的一个网格面；

(6.3)根据子区域特征确定体网格类型。

7.根据权利要求1所述的复杂发射技术条件的燃气流场预示方法，其特征在于：所述步骤3中，对燃气流场计算结果初步评估的过程如下：

(7.1)通过各方程残差值大小及流场计算域进出口质量流量是否平衡来评估计算结果是否收敛；

(7.2)识别燃气流场的特征位置，采用典型燃气流场模型与预示得到的燃气流场中的局部类似流场进行对比，如果两者燃气流场分布规律偏差在预先定义的偏差范围内，则认为流场分布合理，否则不合理。

8.根据权利要求1所述的复杂发射技术条件的燃气流场预示方法，其特征在于：所述步骤5中，对燃气流场计算结果进一步评估的方法如下：

(8.1)通过各方程残差值大小及流场计算域进出口质量流量是否平衡来评估计算结果是否收敛，如果不收敛，则计算结果有问题；

(8.2)通过改变单一计算条件复算的方法完成网格分辨率校验、数值算法校验、湍流模型校验和边界条件校验，如果任一项校验不通过，则计算结果有问题。

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