CN113673184B - 引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法和装置 - Google Patents

引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法和装置，包括：获取喷嘴截面参数和第一容腔的压力参数，喷嘴截面参数包括第一截面的主流流量；根据喷嘴截面参数和第一容腔的压力参数，计算第二截面主流和次流的参数；根据第二截面主流和次流的参数，计算主流和次流在掺混后由第二截面到达第三截面时的参数；根据第二截面到达第三截面时的参数计算气流到达第四截面时的温度和计算气流到达第四截面的总压；根据气流到达第四截面时的温度和气流到达第四截面的总压；计算第四截面到达第五截面时的参数；根据计算得到的当前引射系数和第一截面的主流流量计算需求的次流流量。

Description

引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法和装置
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，尤其是涉及引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法和装置。
背景技术
引射混合器是流体动力学的一种工程应用组合件，是一种利用高能量高速主流体泵抽低能量低速次流体的流体动力学泵，具有结构简单、质量轻和工作可靠的优势，被广泛运用于能源、冶金、化工和航空等领域。
常规引射混合器如图1所示，高速气流从主喷管喷嘴中流出，次流从吸入管或旁路流入，利用流体之间的粘性剪切力传递能量、动量，使主流与次流相互掺混。通常后部会接有扩压器，降低流速，提高静压。
目前的引射混合器面积固定，通过设计混合管面积与主喷管面积，来实现引射混合器目标。例如，以次流增压为目标，则混合器截面面积与主喷管截面面积之比不能太大，若以泵抽次流为目标，则需要更大的混合器截面面积与主喷管面积之比和混合器长径比。
一般在设计阶段会计算主流流量、各子部件流通面积和长度，在使用过程中不再改变，通过使引射混合器工作在设计位置以达到最优的次流增压或泵抽次流的目标。
而在某些复杂试验设备尤其是在大型复杂试验设备中，喷嘴流量会在试验中发生变化，喷嘴出口到混合段入口的距离、混合器截面和长度也需要根据试验对象不同而调整，次流的实际流通面积会随着主流变化而变化，无法获得准确的流通面积比rA。传统方法难以快速准确反映随主流变化引起的次流流量变化情况，给试验舱内压力的控制造成了极大的困难。
目前，主要采用理论计算、三维流场仿真和流量计测量。传统理论计算方法依赖于流通面积比rA，难以解决上述复杂截面情况或次流实际流通面积实时变化下的次流流量求解问题；三维流场仿真的方法存在计算时间长、计算复杂度高和计算精度难以保证等问题；流量计测量存在流量计难以布置和影响流场等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法和装置，可通过容腔内温度和压力传感器实现次流流量和引射混合器内压力、温度、流速等特性参数的实时计算；通过引入容腔，消除了计算时对于流通面积比的依赖，可以更灵活地解决更加复杂的截面条件下的计算；相比于三维流场仿真，仅使用迭代建模的方法，无需画网格，在计算时长上有巨大优势，计算过程具有实时性；相比于布置流量计的方法，利用温度传感器和压力传感器，可以有效节省费用，还可减少流量计对于流场的影响。
第一方面，本发明实施例提供了一种引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法，所述模型包括第一容腔、混合段、扩压段和第二容腔，其中，第一截面设置在所述第一容腔上，第二截面和第三截面设置在所述混合段上，第四截面设置在所述混合段和所述扩压段的连接处，第五截面设置在所述扩压段和所述第二容腔的连接处；所述方法包括：
获取喷嘴截面参数和所述第一容腔的压力参数，所述喷嘴截面参数包括所述第一截面的主流流量；
根据所述喷嘴截面参数和所述第一容腔的压力参数，计算所述第二截面主流和次流的参数；
根据所述第二截面主流和次流的参数，计算所述主流和所述次流在掺混后由所述第二截面到达所述第三截面时的参数；
根据所述第二截面到达所述第三截面时的参数，计算气流到达所述第四截面时的温度和所述气流到达所述第四截面的总压；
根据所述气流到达所述第四截面时的温度和所述气流到达所述第四截面的总压，计算所述第四截面到达所述第五截面时的参数；
计算当前引射系数，根据所述当前引射系数和所述第一截面的主流流量计算需求的次流流量。
进一步的，所述第一截面为喷嘴出口截面，所述第二截面为所述主流与所述次流静压平衡截面，所述第三截面为所述主流和所述次流完全掺混截面，所述第四截面为所述混合段出口截面，所述第五截面为所述扩压段出口截面。
进一步的，所述喷嘴截面参数还包括发动机喉道面积、所述主流在所述第一截面的总压、所述主流在所述第一截面的总温、所述主流在所述第二截面的静压和估计引射系数；所述第一容腔的压力参数包括所述次流在所述第一截面的总压和所述次流在所述第一截面的总温；
所述第一截面到达所述第二截面时主流和次流的参数包括所述主流在所述第二截面的流量、所述主流在所述第二截面的总压、所述主流在所述第二截面的总温、所述主流在所述第二截面的速度系数、所述主流在所述第二截面的流通面积、所述次流在所述第二截面的流量、所述次流在所述第二截面的总压、所述次流在所述第二截面的总温、所述次流在所述第二截面的速度系数、所述次流在所述第二截面的流通面积和所述第二截面的静压平衡残差。
进一步的，根据所述喷嘴截面参数和所述第一容腔的压力参数，计算所述第二截面主流和次流的参数，包括：
根据所述主流在所述第一截面的流量和所述估计引射系数，计算进入所述混合段的次流流量；
所述主流在所述第二截面的总压为所述主流在所述第一截面的总压；
根据气动函数，得到所述主流在所述第二截面的速度系数；
根据所述主流在所述第二截面的速度系数，得到所述主流在所述第二截面的流量函数；
所述主流在所述第二截面的总温为所述主流在所述第一截面的总温；
根据流量守恒，所述主流在所述第二截面的流量为所述主流在所述第一截面的流量；
根据流量公式计算所述主流在所述第二截面的流通面积；
根据所述主流在所述第二截面的流通面积，计算所述次流在所述第二截面的流通面积；
根据所述主流在所述第二截面的流量函数和流量公式，得到所述次流在所述第二截面的流量函数。
进一步的，根据所述喷嘴截面参数和所述第一容腔的压力参数，计算所述第二截面主流和次流的参数，包括：
所述次流在所述第二截面的总温为所述次流在所述第一截面的总温；
所述次流在所述第二截面的总压为所述次流在所述第一截面的总压；
根据所述次流在所述第二截面的流量函数，计算所述次流在所述第二截面的速度系数；
根据所述次流在所述第二截面的气动函数，得到所述次流在所述第二截面的静压；
根据压力平衡，所述主流在所述第二截面的静压为所述次流在所述第二截面的静压；
定义所述第二截面的静压平衡残差；
将所述第二截面的静压平衡残差通过迭代求解，得到需求的主流在所述第二截面的静压和需求的次流在所述第二截面的静压。
进一步的，根据所述第二截面主流和次流的参数，计算所述主流和所述次流在掺混后由所述第二截面到达所述第三截面时的参数，包括：
在流量守恒的条件下，根据所述主流在所述第二截面的流量和所述次流在所述第二截面的流量计算所述第三截面的流量；
在能量守恒条件下，通过温度和焓值拟合公式，得到掺混模型出口处单位焓；
根据所述掺混模型出口处单位焓，计算所述第三截面的总温；
定义进出口冲量守恒残差；
将所述进出口冲量守恒残差通过迭代求解，计算所述气流在所述第三截面的总压和所述气流在所述第三截面的速度系数。
进一步的，根据所述第二截面到达所述第三截面时的参数，计算气流到达所述第四截面时的温度和所述气流到达所述第四截面的总压，包括：
计算气流传至管壁的热量、冷却水传至管壁的热量和冷却水带走的热量；
根据所述气流传至管壁的热量和所述冷却水传至管壁的热量，计算混合段壁面内能量变化；
根据所述混合段壁面内能量变化、混合段壁面的能量、所述气流传至管壁的热量和所述冷却水传至管壁的热量，得到混合段壁面的温度微分方程；
根据所述混合段壁面的温度微分方程，计算混合段壁面的温度；
计算气体的温度微分方程和冷却水的温度微分方程；
根据所述气体的温度微分方程，计算所述气流在所述第四截面的总温；
根据所述冷却水的温度微分方程，计算所述冷却水的平均温度。
进一步的，根据所述第二截面到达所述第三截面时的参数，计算气流到达所述第四截面时的温度和所述气流到达所述第四截面的总压，包括：
在管道进出口速度系数满足的条件下，根据所述气流在所述第三截面的速度系数计算所述气流在所述第四截面的速度系数；
计算出口流量函数；
根据所述出口流量函数和流量公式，计算所述气流在所述第四截面的总压。
进一步的，根据所述气流到达所述第四截面时的温度和所述气流到达所述第四截面的总压，计算所述第四截面到达所述第五截面时的参数，包括：
所述气流在所述第五截面的总压为所述气流在所述第四截面的总压；
所述气流在所述第五截面的总温为所述气流在所述第四截面的总温；
根据流量公式计算所述第五截面的流量；
在流量守恒的条件下，所述第五截面的流量为所述第四截面的流量；
根据所述第五截面的流量和所述第四截面的流量，计算流量平衡相对误差；
将所述流量平衡相对误差迭代求解，得到所述气流在所述第五截面的速度系数；
根据所述气流在所述第五截面的速度系数和所述气流在所述第五截面的总压，计算所述第五截面的静压；
根据所述气流在所述第五截面的速度系数和所述气流在所述第五截面的总温，计算所述第五截面的静温。
第二方面，本发明实施例提供了引射混合器的容腔动力学迭代模型计算装置，所述模型包括第一容腔、混合段、扩压段和第二容腔，其中，第一截面设置在所述第一容腔上，第二截面和第三截面设置在所述混合段上，第四截面设置在所述混合段和所述扩压段的连接处，第五截面设置在所述扩压段和所述第二容腔的连接处；所述装置包括：
获取单元，用于获取喷嘴截面参数和所述第一容腔的压力参数，所述喷嘴截面参数包括所述第一截面的主流流量；
第二截面参数计算单元，用于根据所述喷嘴截面参数和所述第一容腔的压力参数，计算所述第二截面主流和次流的参数；
第三截面参数计算单元，用于根据所述第二截面主流和次流的参数，计算所述主流和所述次流在掺混后由所述第二截面到达所述第三截面时的参数；
第四截面温度和总压计算单元，用于根据所述第二截面到达所述第三截面时的参数，计算气流到达所述第四截面时的温度和所述气流到达所述第四截面的总压；
第五截面参数计算单元，用于根据所述气流到达所述第四截面时的温度和所述气流到达所述第四截面的总压，计算所述第四截面到达所述第五截面时的参数；
需求次流流量计算单元，用于计算当前引射系数，根据所述当前引射系数和所述第一截面的主流流量计算需求的次流流量。
本发明实施例提供了引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法和装置，包括：获取喷嘴截面参数和第一容腔的压力参数，喷嘴截面参数包括第一截面的主流流量；根据喷嘴截面参数和第一容腔的压力参数，计算第二截面主流和次流的参数；根据第二截面主流和次流的参数，计算主流和次流在掺混后由第二截面到达第三截面时的参数；根据第二截面到达第三截面时的参数，计算气流到达第四截面时的温度和气流到达第四截面的总压；根据气流到达第四截面时的温度和气流到达第四截面的总压，计算第四截面到达第五截面时的参数；计算当前引射系数，根据当前引射系数和第一截面的主流流量计算需求的次流流量，从而可通过容腔内温度和压力传感器实现次流流量和引射混合器内压力、温度、流速等特性参数的实时计算；通过引入容腔，消除了计算时对于流通面积比的依赖，可以更灵活地解决更加复杂的截面条件下的计算；相比于三维流场仿真，仅使用迭代建模的方法，无需画网格，在计算时长上有巨大优势，计算过程具有实时性；相比于布置流量计的方法，利用温度传感器和压力传感器，可以有效节省费用，还可减少流量计对于流场的影响。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为常规引射混合器结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法流程图；
图3为本发明实施例一提供的引射混合器容腔动力学迭代模型结构示意图；
图4为本发明实施例一提供的引射混合器容腔动力学迭代模型的示意图；
图5为本发明实施例一提供的混合段剖面示意图；
图6为本发明实施例二提供的引射混合器的容腔动力学迭代模型计算装置示意图。
图标：
1-获取单元；2-第二截面参数计算单元；3-第三截面参数计算单元；4-第四截面温度和总压计算单元；5-第五截面参数计算单元；6-需求次流流量计算单元6。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为便于对本实施例进行理解，下面对本发明实施例进行详细介绍。
实施例一：
引射混合器系统工作时需要满足流量连续、能量守恒、冲量守恒和容腔动力学(压力动力学和温度动力学)等一般物理规律条件，即空气在引射混合器内部流动时，在相邻截面流量连续；引射混合器进口主流和次流能量之和等于混合气出口能量与气流与管壁交换能量之和；主流和次流掺混前后冲量保持不变；容腔进出口流量不相等时，容腔内会存储或提供相应质量和能量，表现为容腔内部压力和温度的变化。
图2为本发明实施例一提供的引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法流程图。
参照图2，模型包括第一容腔、混合段、扩压段和第二容腔，其中，第一截面设置在第一容腔上，第二截面和第三截面设置在混合段上，第四截面设置在混合段和扩压段的连接处，第五截面设置在扩压段和第二容腔的连接处；该方法包括以下步骤：
步骤S101，获取喷嘴截面参数和第一容腔的压力参数，喷嘴截面参数包括第一截面的主流流量；
这里，喷嘴截面参数还包括发动机喉道面积、主流在第一截面的总压、主流在第一截面的总温、主流在第二截面的静压和估计引射系数；第一容腔的压力参数包括次流在第一截面的总压和次流在第一截面的总温；
步骤S102，根据喷嘴截面参数和第一容腔的压力参数，计算第二截面主流和次流的参数；
这里，第一截面到达第二截面时主流和次流的参数包括主流在第二截面的流量、主流在第二截面的总压、主流在第二截面的总温、主流在第二截面的速度系数、主流在第二截面的流通面积、次流在第二截面的流量、次流在第二截面的总压、次流在第二截面的总温、次流在第二截面的速度系数、次流在第二截面的流通面积和第二截面的静压平衡残差。
具体地，计算第一截面到达第二截面时主流和次流的流量、总温、总压和速度系数等参数，数学模型可表示为公式(1)：
[W2m,Pt2m,Tt2m,λ2m,A2m,W2s,Pt2s,Tt2s,λ2s,A2s,e1]＝f1(W1m,A1m,Pt1m,Tt1m,Pt1s,Tt1s,Ps2m,u)   (1)
其中，W2m为主流在第二截面的流量，Pt2m为主流在第二截面的总压，Tt2m为主流在第二截面的总温，λ2m为主流在第二截面的速度系数，A2m为主流在第二截面的流通面积，W2s为次流在第二截面的流量，Pt2s为次流在第二截面的总压，Tt2s为次流在第二截面的总温，λ2s为次流在第二截面的速度系数，A2s为次流在第二截面的流通面积，e1为第二截面的静压平衡残差；
W1m为第一截面主流流量，A1m为发动机喉道面积，Pt1m为主流在第一截面的总压，Tt1m为主流在第一截面的总温，Pt1s为次流在第一截面的总压，Tt1s为次流在第一截面的总温，Ps2m为主流在第二截面的静压，u为估计引射系数。
步骤S103，根据第二截面主流和次流的参数，计算主流和次流在掺混后由第二截面到达第三截面时的参数；
这里，计算主流和次流在掺混后由第二截面到达第三截面时的参数，数学模型可表示为公式(2)：
[W3,Tt3,λ3,e2]＝f2(W2m,Pt2m,Tt2m,λ2m,A2m,W2s,Pt2s,Tt2s,λ2s,A2s,Pt3)   (2)
其中，W3为第三截面的流量，Tt3为第三截面的总温，λ3为气流在第三截面的速度系数，e2为冲量守恒残差，Pt3为气流在第三截面的总压。
步骤S104，根据第二截面到达第三截面时的参数，计算气流到达第四截面时的温度和气流到达第四截面的总压；
这里，计算气流到达第四截面时的温度，数学模型可表示为公式(3)：
[Tt4,Tm,T2]＝f3(W3,T1,Cp1,h1,h2,A1,A2,W2,T2in,Cp2,Wcool,Cm,Mm)   (3)
其中，Tt4为气流在第四截面的总温，Tm为混合段壁面的温度，T2为冷却水的平均温度；W3为的第三截面的流量，T1为的气流进口温度，即Tt3，Cp1为气体的比热容，h1为混合段壁面与气流之间的等效热对流换热系数，h2为混合段壁面与冷却水之间的等效热对流换热系统，A1为混合段与气流之间的等效接触面积，A2为混合段与冷却水之间的等效接触面积，W2为冷却水质量流量，T2in为冷却水入口的温度，Cp2为冷却水的比热容，Wcool为直接接触管壁的冷却水量，Cm为混合段管壁的比热容，Mm为混合段管壁的质量；
这里，计算气流到达第四截面的总压，数学模型可表示为公式(4)：
[Pt4,λ4]＝f4(Pt3,λ3,f,L,D1)   (4)
其中，Pt4为气流在第四截面的总压，λ4为气流在第四截面的速度系数，Pt3为气流在第三截面的总压，λ3为气流在第三截面的速度系数，f为平均摩擦系数，L为管道长度，D1为管道直径。
步骤S105，根据气流到达第四截面时的温度和气流到达第四截面的总压，计算第四截面到达第五截面时的参数；
这里，计算第四截面到达第五截面时的参数，数学模型可表示为公式(5)：
[W5,Tt5,Pt5,Ts5,Ps5,λ5,e3]＝f5(W4,Tt4,Pt4,D2)   (5)
其中，W5为第五截面的流量，Tt5为第五截面的总温，Pt5为第五截面的总压，Ts5为第五截面的静温，Ps5为第五截面的静压，λ5为气流在第五截面的速度系数，e3为流量守恒残差，W4为第四截面的流量，Tt4为第四截面的总温，Pt4为气流在第四截面的总压，D2为扩张段出口直径。
步骤S106，计算当前引射系数，根据当前引射系数和第一截面的主流流量计算需求的次流流量。
这里，由于气流在第五截面处满足压力平衡，如公式(6)所示：
Ps5＝Pout   (6)
其中，Pout为第二容腔内压力；
定义静压平衡残差如公式(7)所示：
e4＝(Ps5-Pout)/Pout   (7)
其中，e4为静压平衡残差；
通过迭代求解获取当前引射系数u，将当前引射系数u带入公式(8)即可求出次流流量。
参照如图3所示的引射混合器容腔动力学迭代模型结构示意图。
这里，第一截面为喷嘴出口截面，第二截面为主流与次流静压平衡截面，第三截面为主流和次流完全掺混截面，第四截面为混合段出口截面，第五截面为扩压段出口截面。
参照如图4所示的引射混合器容腔动力学迭代模型的示意图。
具体地，从喷嘴喷出的主流将次流从旁路中引射进入第一容腔，并一同进入引射混合器进行掺混和扩压后排出，其中，第一容腔内的压力会影响从旁路流入的次流的流量，第二容腔内的压力会影响引射扩压器的扩压能力，从而影响第一容腔内的压力。
进一步的，步骤S102包括以下步骤：
步骤S201，根据主流在第一截面的流量和估计引射系数，计算进入混合段的次流流量；
这里，根据公式(8)计算进入混合段的次流流量：
W1s＝uW1m   (8)
其中，W1s为进入混合段的次流流量。
步骤S202，主流在第二截面的总压为主流在第一截面的总压；
这里，主流从第一截面到第二截面为等熵膨胀过程，总压不变，得到公式(9)：
Pt2m＝Pt1m   (9)
步骤S203，根据气动函数，得到主流在第二截面的速度系数；
这里，气动函数如公式(10)所示：
Figure BDA0003224693800000131
其中，k为气体比热比。
由公式(10)可以得到公式(11)主流在第二截面的速度系数：
λ2m＝π-1(λ2m)   (11)
其中，λ2m为主流在第二截面的速度系数。
步骤S204，根据主流在第二截面的速度系数，得到主流在第二截面的流量函数；
这里，主流在第二截面的流量函数如公式(12)所示：
Figure BDA0003224693800000141
其中，q(λ2m)为主流在第二截面的流量函数。
步骤S205，主流在第二截面的总温为主流在第一截面的总温；
这里，由于主流为等熵膨胀过程，总温不变，如公式(13)所示：
Tt2m＝Tt1m   (13)
步骤S206，根据流量守恒，主流在第二截面的流量为主流在第一截面的流量；
这里，由于流量守恒，流量不变，如公式(14)所示：
W2m＝W1m   (14)
步骤S207，根据流量公式计算主流在第二截面的流通面积；
这里，流量公式如公式(15)所示：
Figure BDA0003224693800000142
其中，Pt为总压，Tt为总温，A为流通面积，q(λ)为流量函数，
Figure BDA0003224693800000143
k为气体比热比，R为气体常数。
根据公式(15)可求出主流在第二截面的流通面积，如公式(16)所示：
Figure BDA0003224693800000144
步骤S208，根据主流在第二截面的流通面积，计算次流在第二截面的流通面积；
这里，次流在第二截面的流通面积如公式(17)所示：
Figure BDA0003224693800000151
其中，d为混合段直径。
步骤S209，根据主流在第二截面的流量函数和流量公式，得到次流在第二截面的流量函数；
这里，次流在第二截面的流量函数如公式(18)所示：
Figure BDA0003224693800000152
其中，q(λ2s)为次流在第二截面的流量函数。
进一步的，步骤S102还包括以下步骤：
步骤S301，次流在第二截面的总温为次流在第一截面的总温；
这里，次流在第二截面的总温为次流在第一截面的总温如公式(19)所示：
Tt2s＝Tt1s   (19)
步骤S302，次流在第二截面的总压为次流在第一截面的总压；
这里，次流在第二截面的总压为次流在第一截面的总压如公式(20)所示：
Pt2s＝Pt1s   (20)
步骤S303，根据次流在第二截面的流量函数，计算次流在第二截面的速度系数；
这里，次流在第二截面的速度系数如公式(21)所示：
λ2s＝q-1(λ2s)   (21)
其中，λ2s为次流在第二截面的速度系数。
步骤S304，根据次流在第二截面的气动函数，得到次流在第二截面的静压；
这里，根据次流在第二截面的气动函数
Figure BDA0003224693800000161
得到的次流在第二截面的静压如公式(22)所示：
Ps2s＝π(λ2s)Pt2s   (22)
步骤S305，根据压力平衡，主流在第二截面的静压为次流在第二截面的静压；
这里，主流在第二截面的静压为次流在第二截面的静压如公式(23)所示：
Ps2m＝Ps2s   (23)
步骤S306，定义第二截面的静压平衡残差；
这里，第二截面的静压平衡残差定义如公式(24)所示：
e1＝(Ps2s-Ps2m)/Ps2m   (24)
步骤S307，将第二截面的静压平衡残差通过迭代求解，得到需求的主流在第二截面的静压和需求的次流在第二截面的静压。
进一步的，步骤S103包括以下步骤：
步骤S401，在流量守恒的条件下，根据主流在第二截面的流量和次流在第二截面的流量计算第三截面的流量；
这里，第三截面的流量如公式(25)所示：
W3＝W2m+W2s   (25)
步骤S402，在能量守恒条件下，通过温度和焓值拟合公式，得到掺混模型出口处单位焓；
这里，根据温度和焓值拟合公式为h＝g(Tt)，得到掺混模型出口处单位焓如公式(26)所示：
ht3＝(ht2mW2m+ht2sW2s)/W3   (26)
其中，ht3为掺混模型出口处单位焓，ht2m为主流在第二截面的单位焓，W2m为主流在第二截面的流量，ht2s为次流在第二截面的单位焓，W2s为次流在第二截面的流量。
步骤S403，根据掺混模型出口处单位焓，计算第三截面的总温；
这里，将温度和焓值拟合公式带入公式(26)可得第三截面的总温，如公式(27)所示：
Tt3＝g-1(h3)   (27)
其中，Tt3为第三截面的总温，h3为第三截面的单位焓。
步骤S404，定义进出口冲量守恒残差；
这里，进出口的气流冲量可以用气动函数f(λ)可以用公式(28)表示：
mV+pA＝p*Af(λ)   (28)
其中，m为气体质量流量，V为气流速度，p为气流静压，A为气流流通面积；气动函数
Figure BDA0003224693800000171
中，λ为速度系数，k为气流比热比；
气流在掺混过程中应满足冲量守恒定律，如公式(29)所示：
pt2mA2mf(λ2m)+pt2sA2sf(λ2s)＝pt3A3f(λ3)   (29)
其中，f(λ2m)为主流在第二截面的气动函数；f(λ2s)为次流在第二截面的气动函数；f(λ3)为第三截面的气动函数；
具体地，根据公式(28)、公式(29)定义进出口冲量守恒残差，数学模型可表示为公式(30)：
e2＝(Pt2mA2mf(λ2m)+Pt2sA2sf(λ2s)-Pt3A3f(λ3))/(Pt2mA2mf(λ2m)+Pt2sA2sf(λ2s))(30)
步骤S405，将进出口冲量守恒残差通过迭代求解，计算气流在第三截面的总压和气流在第三截面的速度系数。
图5为本发明实施例一提供的混合段剖面示意图。
参照图5，从下往上依次为高温气流、直段金属管壁和冷却水，将其分别区为第一控制体、m控制体、第二控制体。
进一步的，步骤S104包括以下步骤：
步骤S501，计算气流传至管壁的热量、冷却水传至管壁的热量和冷却水带走的热量；
这里，气流传至管壁的热量如公式(31)所示：
Figure BDA0003224693800000181
其中，
Figure BDA0003224693800000182
为水管气流传至管壁的热量，h1为气流传至管壁的焓值；冷却水传至管壁的热量如公式(32)所示：
Figure BDA0003224693800000183
其中，
Figure BDA0003224693800000184
为冷却水传至管壁的热量，h2为冷凝管至管壁的焓值；冷却水带走的热量如公式(33)所示：
Figure BDA0003224693800000185
其中，
Figure BDA0003224693800000186
为冷却水带走的热量。
步骤S502，根据气流传至管壁的热量和冷却水传至管壁的热量，计算混合段壁面内能量变化；
这里，混合段壁面内能量变化如公式(34)所示：
Figure BDA0003224693800000187
其中，混合段壁面具有的能量为Em＝CmMmTm，上式两边对时间t进行求导，得到公式(35)：
Figure BDA0003224693800000188
步骤S503，根据混合段壁面内能量变化、混合段壁面的能量、气流传至管壁的热量和冷却水传至管壁的热量，得到混合段壁面的温度微分方程；
这里，令公式(34)等于公式(35)，将公式(31)、公式(32)带入，从而得到混合段壁面的温度微分方程如公式(36)所示：
Figure BDA0003224693800000191
步骤S504，根据混合段壁面的温度微分方程，计算混合段壁面的温度；
步骤S505，计算气体的温度微分方程和冷却水的温度微分方程；
这里，根据公式(36)的推导方法，同理可得气体的温度微分方程如公式(37)所示：
Figure BDA0003224693800000192
同理可得冷却水的温度微分方程如公式(38)所示：
Figure BDA0003224693800000193
步骤S506，根据气体的温度微分方程，计算气流在第四截面的总温；这里，气体出口温度如公式(39)所示：
Figure BDA0003224693800000194
步骤S507，根据冷却水的温度微分方程，计算冷却水的平均温度；
这里，冷却水平均温度图公式(40)所示：
Figure BDA0003224693800000195
进一步的，步骤S104还包括以下步骤：
步骤S601，在管道进出口速度系数满足的条件下，根据气流在第三截面的速度系数计算气流在第四截面的速度系数；
这里，在混合段摩擦管流时不考虑换热影响的情况下，管道进出口速度系数满足公式(41)：
Figure BDA0003224693800000196
其中，λ3为进口速度系数，λ4为出口速度系数，根据进口速度系数λ3求出口速度系数λ4。
步骤S602，计算出口流量函数；
这里，出口流量函数如公式(42)所示：
Figure BDA0003224693800000201
步骤S603，根据出口流量函数和流量公式，计算气流在第四截面的总压；
这里，由于过程为绝热等截面管流，故总温和流通截面面积不变，气流在第四截面的总压如公式(43)所示：
Figure BDA0003224693800000202
进一步的，步骤S105包括以下步骤：
步骤S701，气流在第五截面的总压为气流在第四截面的总压；
这里，气流在第五截面的总压为气流在第四截面的总压如公式(44)所示：
Pt5＝Pt4   (44)
其中，Pt5为气流在第五截面的总压，Pt4为气流在第四截面的总压。
步骤S702，气流在第五截面的总温为气流在第四截面的总温；
这里，气流在第五截面的总温为气流在第四截面的总温如公式(45)所示：
Tt5＝Tt4   (45)
其中，Tt5为气流在第五截面的总温，Tt4为气流在第四截面的总温。
步骤S703，根据流量公式计算第五截面的流量；
这里，第五截面的流量如公式(46)所示：
Figure BDA0003224693800000203
其中，W5为第五截面的流量，扩张段出口面积为
Figure BDA0003224693800000211
步骤S704，在流量守恒的条件下，第五截面的流量为第四截面的流量；
这里，第五截面的流量为第四截面的流量如公式(47)所示：
W5＝W4   (47)
其中，W4为第四截面的流量。
步骤S705，根据第五截面的流量和第四截面的流量，计算流量平衡相对误差；
这里，流量平衡相对误差如公式(48)所示：
e3＝(W5-W4)/W4   (47)
其中，e3为流量平衡相对误差。
步骤S706，将流量平衡相对误差迭代求解，得到气流在第五截面的速度系数；
这里，第五截面的速度系数为λ5。
步骤S707，根据气流在第五截面的速度系数和气流在第五截面的总压，计算第五截面的静压；
这里，第五截面的静压如公式(48)所示：
Figure BDA0003224693800000212
其中，ps5为第五截面的静压。
步骤S708，根据气流在第五截面的速度系数和气流在第五截面的总温，计算第五截面的静温；
这里，第五截面的静温如公式(49)所示：
Figure BDA0003224693800000213
其中，Ts5为第五截面的静温。
本发明实施例提供了引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法，包括：获取喷嘴截面参数和第一容腔的压力参数，喷嘴截面参数包括第一截面的主流流量；根据喷嘴截面参数和第一容腔的压力参数，计算第二截面主流和次流的参数；根据第二截面主流和次流的参数，计算主流和次流在掺混后由第二截面到达第三截面时的参数；根据第二截面到达第三截面时的参数，计算气流到达第四截面时的温度和气流到达第四截面的总压；根据气流到达第四截面时的温度和气流到达第四截面的总压，计算第四截面到达第五截面时的参数；计算当前引射系数，根据当前引射系数和第一截面的主流流量计算需求的次流流量，从而可通过容腔内温度和压力传感器实现次流流量和引射混合器内压力、温度、流速等特性参数的实时计算；通过引入容腔，消除了计算时对于流通面积比的依赖，可以更灵活地解决更加复杂的截面条件下的计算；相比于三维流场仿真，仅使用迭代建模的方法，无需画网格，在计算时长上有巨大优势，计算过程具有实时性；相比于布置流量计的方法，利用温度传感器和压力传感器，可以有效节省费用，还可减少流量计对于流场的影响。
实施例二：
图6为本发明实施例二提供的引射混合器的容腔动力学迭代模型计算装置示意图。
参照图6，模型包括：第一容腔、混合段、扩压段和第二容腔，其中，第一截面设置在第一容腔上，第二截面和第三截面设置在混合段上，第四截面设置在混合段和扩压段的连接处，第五截面设置在扩压段和第二容腔的连接处；装置包括：
获取单元1，用于获取喷嘴截面参数和第一容腔的压力参数，喷嘴截面参数包括第一截面的主流流量；
第二截面参数计算单元2，用于根据喷嘴截面参数和第一容腔的压力参数，计算第二截面主流和次流的参数；
第三截面参数计算单元3，用于根据第二截面主流和次流的参数，计算主流和次流在掺混后由第二截面到达第三截面时的参数；
第四截面温度和总压计算单元4，用于根据第二截面到达第三截面时的参数，计算气流到达第四截面时的温度和气流到达第四截面的总压；
第五截面参数计算单元5，用于根据气流到达第四截面时的温度和气流到达第四截面的总压，计算第四截面到达第五截面时的参数；
需求次流流量计算单元6，用于计算当前引射系数，根据当前引射系数和第一截面的主流流量计算需求的次流流量。
本发明实施例提供了引射混合器的容腔动力学迭代模型计算装置，包括：获取喷嘴截面参数和第一容腔的压力参数，喷嘴截面参数包括第一截面的主流流量；根据喷嘴截面参数和第一容腔的压力参数，计算第二截面主流和次流的参数；根据第二截面主流和次流的参数，计算主流和次流在掺混后由第二截面到达第三截面时的参数；根据第二截面到达第三截面时的参数，计算气流到达第四截面时的温度和气流到达第四截面的总压；根据气流到达第四截面时的温度和气流到达第四截面的总压，计算第四截面到达第五截面时的参数；计算当前引射系数，根据当前引射系数和第一截面的主流流量计算需求的次流流量，从而可通过容腔内温度和压力传感器实现次流流量和引射混合器内压力、温度、流速等特性参数的实时计算；通过引入容腔，消除了计算时对于流通面积比的依赖，可以更灵活地解决更加复杂的截面条件下的计算；相比于三维流场仿真，仅使用迭代建模的方法，无需画网格，在计算时长上有巨大优势，计算过程具有实时性；相比于布置流量计的方法，利用温度传感器和压力传感器，可以有效节省费用，还可减少流量计对于流场的影响。
本发明实施例所提供的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法，其特征在于，所述模型包括第一容腔、混合段、扩压段和第二容腔，其中，第一截面设置在所述第一容腔上，第二截面和第三截面设置在所述混合段上，第四截面设置在所述混合段和所述扩压段的连接处，第五截面设置在所述扩压段和所述第二容腔的连接处；所述方法包括：
获取喷嘴截面参数和所述第一容腔的压力参数，所述喷嘴截面参数包括所述第一截面的主流流量；
根据所述喷嘴截面参数和所述第一容腔的压力参数，计算所述第二截面主流和次流的参数；
根据所述第二截面主流和次流的参数，计算所述主流和所述次流在掺混后由所述第二截面到达所述第三截面时的参数；
根据所述第二截面到达所述第三截面时的参数，计算气流到达所述第四截面时的温度和所述气流到达所述第四截面的总压；
根据所述气流到达所述第四截面时的温度和所述气流到达所述第四截面的总压，计算所述第四截面到达所述第五截面时的参数；
计算当前引射系数，根据所述当前引射系数和所述第一截面的主流流量计算需求的次流流量。
2.根据权利要求1所述的引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法，其特征在于，所述第一截面为喷嘴出口截面，所述第二截面为所述主流与所述次流静压平衡截面，所述第三截面为所述主流和所述次流完全掺混截面，所述第四截面为所述混合段出口截面，所述第五截面为所述扩压段出口截面。
3.根据权利要求1所述的引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法，其特征在于，所述喷嘴截面参数还包括发动机喉道面积、所述主流在所述第一截面的总压、所述主流在所述第一截面的总温、所述主流在所述第二截面的静压和估计引射系数；所述第一容腔的压力参数包括所述次流在所述第一截面的总压和所述次流在所述第一截面的总温；
所述第一截面到达所述第二截面时主流和次流的参数包括所述主流在所述第二截面的流量、所述主流在所述第二截面的总压、所述主流在所述第二截面的总温、所述主流在所述第二截面的速度系数、所述主流在所述第二截面的流通面积、所述次流在所述第二截面的流量、所述次流在所述第二截面的总压、所述次流在所述第二截面的总温、所述次流在所述第二截面的速度系数、所述次流在所述第二截面的流通面积和所述第二截面的静压平衡残差。
4.根据权利要求3所述的引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法，其特征在于，根据所述喷嘴截面参数和所述第一容腔的压力参数，计算所述第二截面主流和次流的参数，包括：
根据所述主流在所述第一截面的流量和所述估计引射系数，计算进入所述混合段的次流流量；
所述主流在所述第二截面的总压为所述主流在所述第一截面的总压；
根据气动函数，得到所述主流在所述第二截面的速度系数；
根据所述主流在所述第二截面的速度系数，得到所述主流在所述第二截面的流量函数；
所述主流在所述第二截面的总温为所述主流在所述第一截面的总温；
根据流量守恒，所述主流在所述第二截面的流量为所述主流在所述第一截面的流量；
根据流量公式计算所述主流在所述第二截面的流通面积；
根据所述主流在所述第二截面的流通面积，计算所述次流在所述第二截面的流通面积；
根据所述主流在所述第二截面的流量函数和流量公式，得到所述次流在所述第二截面的流量函数。
5.根据权利要求4所述的引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法，其特征在于，根据所述喷嘴截面参数和所述第一容腔的压力参数，计算所述第二截面主流和次流的参数，包括：
所述次流在所述第二截面的总温为所述次流在所述第一截面的总温；
所述次流在所述第二截面的总压为所述次流在所述第一截面的总压；
根据所述次流在所述第二截面的流量函数，计算所述次流在所述第二截面的速度系数；
根据所述次流在所述第二截面的气动函数，得到所述次流在所述第二截面的静压；
根据压力平衡，所述主流在所述第二截面的静压为所述次流在所述第二截面的静压；
定义所述第二截面的静压平衡残差；
将所述第二截面的静压平衡残差通过迭代求解，得到需求的主流在所述第二截面的静压和需求的次流在所述第二截面的静压。
6.根据权利要求1所述的引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法，其特征在于，根据所述第二截面主流和次流的参数，计算所述主流和所述次流在掺混后由所述第二截面到达所述第三截面时的参数，包括：
在流量守恒的条件下，根据所述主流在所述第二截面的流量和所述次流在所述第二截面的流量计算所述第三截面的流量；
在能量守恒条件下，通过温度和焓值拟合公式，得到掺混模型出口处单位焓；
根据所述掺混模型出口处单位焓，计算所述第三截面的总温；
定义进出口冲量守恒残差；
将所述进出口冲量守恒残差通过迭代求解，计算所述气流在所述第三截面的总压和所述气流在所述第三截面的速度系数。
7.根据权利要求1所述的引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法，其特征在于，根据所述第二截面到达所述第三截面时的参数，计算气流到达所述第四截面时的温度和所述气流到达所述第四截面的总压，包括：
计算气流传至管壁的热量、冷却水传至管壁的热量和冷却水带走的热量；
根据所述气流传至管壁的热量和所述冷却水传至管壁的热量，计算混合段壁面内能量变化；
根据所述混合段壁面内能量变化、混合段壁面的能量、所述气流传至管壁的热量和所述冷却水传至管壁的热量，得到混合段壁面的温度微分方程；
根据所述混合段壁面的温度微分方程，计算混合段壁面的温度；
计算气体的温度微分方程和冷却水的温度微分方程；
根据所述气体的温度微分方程，计算所述气流在所述第四截面的总温；
根据所述冷却水的温度微分方程，计算所述冷却水的平均温度。
8.根据权利要求1所述的引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法，其特征在于，根据所述第二截面到达所述第三截面时的参数，计算气流到达所述第四截面时的温度和所述气流到达所述第四截面的总压，包括：
在管道进出口速度系数满足的条件下，根据所述气流在所述第三截面的速度系数计算所述气流在所述第四截面的速度系数；
计算出口流量函数；
根据所述出口流量函数和流量公式，计算所述气流在所述第四截面的总压。
9.根据权利要求1所述的引射混合器的容腔动力学迭代模型计算方法，其特征在于，根据所述气流到达所述第四截面时的温度和所述气流到达所述第四截面的总压，计算所述第四截面到达所述第五截面时的参数，包括：
所述气流在所述第五截面的总压为所述气流在所述第四截面的总压；
所述气流在所述第五截面的总温为所述气流在所述第四截面的总温；
根据流量公式计算所述第五截面的流量；
在流量守恒的条件下，所述第五截面的流量为所述第四截面的流量；
根据所述第五截面的流量和所述第四截面的流量，计算流量平衡相对误差；
将所述流量平衡相对误差迭代求解，得到所述气流在所述第五截面的速度系数；
根据所述气流在所述第五截面的速度系数和所述气流在所述第五截面的总压，计算所述第五截面的静压；
根据所述气流在所述第五截面的速度系数和所述气流在所述第五截面的总温，计算所述第五截面的静温。
10.一种引射混合器的容腔动力学迭代模型计算装置，其特征在于，所述模型包括第一容腔、混合段、扩压段和第二容腔，其中，第一截面设置在所述第一容腔上，第二截面和第三截面设置在所述混合段上，第四截面设置在所述混合段和所述扩压段的连接处，第五截面设置在所述扩压段和所述第二容腔的连接处；所述装置包括：
获取单元，用于获取喷嘴截面参数和所述第一容腔的压力参数，所述喷嘴截面参数包括所述第一截面的主流流量；
第二截面参数计算单元，用于根据所述喷嘴截面参数和所述第一容腔的压力参数，计算所述第二截面主流和次流的参数；
第三截面参数计算单元，用于根据所述第二截面主流和次流的参数，计算所述主流和所述次流在掺混后由所述第二截面到达所述第三截面时的参数；
第四截面温度和总压计算单元，用于根据所述第二截面到达所述第三截面时的参数，计算气流到达所述第四截面时的温度和所述气流到达所述第四截面的总压；
第五截面参数计算单元，用于根据气流到达所述第四截面时的温度和所述气流到达所述第四截面的总压，计算所述第四截面到达所述第五截面时的参数；
需求次流流量计算单元，用于计算当前引射系数，根据所述当前引射系数和所述第一截面的主流流量计算需求的次流流量。
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