CN117216899B - 一种基于irc方法的液氧煤油发动机预燃室建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于IRC方法的液氧煤油发动机预燃室建模方法，包括：S1、从元件库中选择出基础元件，并进行连接；S2、设置元件子模型，计算需要的插值表；S3、设置元件的参数，设置初始变量，并导入插值表；S4、设置仿真步长和仿真时间，最终得到仿真计算结果。本发明可以通过基础元件进行连接构成超元件，实现模块化，通用性好，操作方便的液氧煤油火箭发动机建模，便于工程实现。
Description
技术领域
本发明涉及液体火箭发动机技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于IRC方法的液氧煤油发动机预燃室建模方法。
背景技术
面向可复用火箭可靠性需求，探究发动机动态特性，方便快速地分析各系统参数间的相互关系及其变化规律，开展发动机仿真验证十分必要。早期的发动机系统仿真大都针对某一具体型号的发动机，通过物理数学方程结合计算机语言进行编程，然后进行仿真计算，这种方法虽然能够进行仿真，但是对于不同型号的发动机而言，都需要重新进行方程推导和程序编写，模型的通用性较差。
目前，用于液体火箭发动机建模的模块化方法具有元件模块函数调用、simulink的信号连接模拟等方法，但是其元件之间的连接和接口处理都比较复杂，系统也模拟成为了动力学方程的表达式，系统结构无法被直观的展现出来。另外，对于发动机预燃室这种高压高混合比的环境中，推进剂密度将会发生变化。因此亟需一种可以考虑温度、压力等因数的快速简单，系统结构清晰明了，且模块通用性强的预燃室建模方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于IRC方法的液氧煤油发动机预燃室建模方法，以解决上述问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于IRC方法的液氧煤油发动机预燃室建模方法，包括以下步骤：
S1、从元件库中选择出基础元件，并进行连接；
S2、设置元件子模型，计算需要的插值表；
S3、设置元件的参数，设置初始变量，并导入插值表；
S4、设置仿真步长和仿真时间，最终得到仿真计算结果。
进一步地，所述步骤S1具体包括：基于AMESim平台，采用固定延迟的零维预燃室模型，在草图模式中，依次从信号、控制库、两相流库、混合气库和热流库中选择出基础元件。
进一步地，所述IRC方法中的C单元的动力学方程表示为：
式中，V为容腔体积，为各边界面质量流量，ρ为工质密度，α,β分别为等压膨胀系数和等温体积模量，/>为单位时间热交换量，/>焓流量，Cp为定压比热，T为温度；
IR单元质量流量和焓流量的动力学模型表示为：
式中，A为管道单元流通截面积，L为管道单元特征长度，pup,pdown分别为管道进口和出口压力，Δpff为摩擦存在导致的管路压降，hup表示入口条件下的比焓；
燃气发生器中混合气质量守恒方程为：
式中，为氧化剂质量流量，/>为燃料质量流量，/>为预燃室出口质量流量，τ为时滞参数，Vc为燃气发生器体积；
根据理想气体状态方程，混合比表示为：
式中，dmo为氧化剂质量流量，dmf为燃料质量流量；
通过相关热力计算软件RPA或CEA，得到气体的热值RT：
RT＝RT(K,Pc)
作为混合气体腔，腔室压力的动态方程为：
进一步地，所述步骤S2具体为：
进入到子模型界面，选择未定义的元件的子模型，并将整个连接起来的模型进行封装，建立一个超元件；
在超元件的编辑界面，对超元件的图标和接口进行调整与设置，并保存；
通过CEA软件，选择计算种类为火箭，设置压力范围，设置氧化剂和燃料，设置混合比，设置出口条件，计算所需压力、混合比以及扩张比条件下的燃烧产物的种类和比例，得到预燃室的插值表。
进一步地，所述步骤S3具体为：
进入到参数设置界面，依次设置插值表参数，将超出插值表的部分进行忽略，并将插值的类型设置为连续三次方插值；
设置变量控制元件的上下限值，以使得到的参数在合理的范围内；设置混合气体腔元件，混合气介质号与定义的混合气介质号保持一致，包含的物质与定义的气体介质种类数保持一致；设置自定义函数模块，控制系统的启动，确保在没有进行点火的情况下，压力和温度与环境温度、压力一致；设置环境温度和压力，以使仿真从零开始。
进一步地，所述步骤S4具体为，进入仿真界面，自动创建所搭建系统的仿真程序，设置仿真参数，在仿真设置中，结束时间按所需时间进行设置，最小间隔可以按所需精度进行选择，点击进行仿真，模型开始求解，经过AMESim中自带的求解器计算得到仿真结果。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明针对现有液氧煤油火箭发动机建模通用性的不强和建模复杂问题，通过IRC方法，得到ICR的预燃烧室方程，然后采用AMESim中的基础库中的元件和gmvol函数搭建超元件，通过CEA或RPA软件，得到目标压力、混合比和扩张比的气体热力参数，并导入模型中，得到液氧煤油火箭发动机的仿真结果。本发明可以显著提高模型的通用性，提高液氧煤油发动机仿真的可靠性。与传统的方法相比，本发明可以通过基础元件进行连接构成超元件，实现模块化，通用性好，操作方便的液氧煤油火箭发动机建模，便于工程实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明基于IRC方法的液氧煤油发动机预燃室建模方法的流程图。
图2是本发明液氧煤油火箭发动机基础元件的连接草图。
图3是本发明组合成为超元件的图标图。
图4是本发明用于温度插值的计算出来的RT中的温度图。
图5是本发明用于物种种类插值的计算出来的RT中的质量图。
图6是本发明实施例的燃烧室温度仿真结果图。
图7是本发明实施例的燃烧室气压仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1所示，本发明提供一种基于IRC方法的液氧煤油发动机预燃室建模方法，包括以下步骤：
步骤S1、从元件库中选择出基础元件，并进行连接。
本实施例中，基于AMESim平台，采用固定延迟的零维预燃室模型。在草图模式中，依次从信号、控制库，两相流库，混合气库和热流库中选择出“FXYZA001”,“SIGRECI0”，“GA00”，“TPFMFS01”，“TPFMPHS000”，“GMCH000”，“GMVS002”，“TFMF10”以及“TFPT1”等主要元件，按照图1方式进行连接。其中，关键元件为“GMCH000”，其中涉及的函数“gmvol”与AMESim中自带的预燃室模型中的质量和能量守恒方程所涉及的函数一致。IRC方法属于液体火箭发动机的一种动态建模方法，是一种基于压力、温度、流量和焓流维基本变量的一维流体控制方程的分段集中参数方法。
其中C单元的动力学方程可以表示为：
式中，V为容腔体积，为各边界面质量流量，ρ为工质密度，α,β分别为等压膨胀系数和等温体积模量，/>为单位时间热交换量，/>焓流量，Cp为定压比热，T为温度。IR单元质量流量和焓流量的动力学模型可表示为：
式中，A为管道单元流通截面积，L为管道单元特征长度，pup,pdown分别为管道进口和出口压力，Δpff为摩擦存在导致的管路压降，hup表示入口条件下的比焓。
燃气发生器中混合气质量守恒方程为：
式中，为氧化剂质量流量，/>为燃料质量流量，/>为预燃室出口质量流量，τ为时滞参数，Vc为燃气发生器体积。
根据理想气体状态方程，混合比可表示为：
式中，dmo为氧化剂质量流量，dmf为燃料质量流量。
通过相关热力计算软件RPA或CEA，得到气体的热值RT
RT＝RT(K,Pc) (6)
作为混合气体腔，腔室压力的动态方程为：
本实施例中，基于AMESim平台，在草图模式中，依次从信号、控制库，两相流库，混合气库和热流库中选择出“FXYZA001”,“SIGRECI0”，“UCONV0-1”，“DIV00-1”，“LAG1-1”，“DYNMUX2-1”，“GA00”，“TPFMFS01”，“TPFMPHS000”，“GMCH000”，“GMVS002”，“GMPS002-1”，“GMVS001-2”，“TFMF10”以及“TFPT1”主要元件，按照图1方式进行连接。
步骤S2、设置元件子模型，计算需要的插值表。
本实施例中，进入到子模型界面，以此选择未定义的元件的子模型，并将整个连接起来，如图2所示，再将模型进行封装，建立一个超元件；然后在超元件的编辑界面，对超元件的图标和接口进行调整与设置，并保存，如图3所示；通过CEA软件，选择计算种类为火箭，设置压力范围，设置氧化剂和燃料，设置混合比，设置出口条件，计算所需压力、混合比以及扩张比条件下的燃烧产物的种类和比例，得到预燃室的插值表。
本实施例中，选择RP-1作为煤油燃料，液氧作为氧化，通过CEA/RPA软件计算RP-1与液氧的在混合比为34-65，压强为5MPa-35MPa条件下，选择主要反应产物包括CO、CO2、H2O、H2、OH、H、O、CH4、C2H4、C2H6、O2；“DYNMUX2-1”元件的子模型接口为12，“FXYZA”元件的子模型选择为“FXYZA001”。
步骤S3、设置元件的参数，设置初始变量，并导入插值表。
本实施例中，进入到参数设置界面，依次设置插值表参数，将超出插值表的部分进行忽略，并将插值的类型设置为连续三次方插值；设置变量控制元件的上下限值，保证得到的参数在合理的范围内；设置混合气体腔元件，混合气介质号与定义的混合气介质号保持一致，包含的物质与定义的气体介质种类数保持一致；设置自定义函数模块，控制系统的启动，确保在没有进行点火的情况下，压力和温度与环境温度、压力一致；设置环境温度和压力，保障仿真可以从零开始。
本实施例中，标记为P0的“SIGTRABS0-x”与标记为P0的“SIGRECEI0-x”配对，标记为R0的“SIGTRABS0-x”与标记为R0的“SIGRECEI0-x”配对，标记为M1的“SIGTRABS0-x”与标记为M1的“SIGRECEI0-x”配对，标记为M2的“SIGTRABS0-x”与标记为M2的“SIGRECEI0-x”配对，SAT0-3的最大/小值为0.1/100，环境变量温度设置为293.15K，压力位0.1013MPa，使用CEA计算计算RP-1与液氧的在混合比为34-65，压强为5MPa-35MPa条件下的反应温度和反应产物，导入插值表中，温度如图4所示，反应产物如图5所示。
步骤S4、设置仿真步长和仿真时间，最终得到仿真计算结果。
本实施例中，进入仿真界面，首先会自动创建所搭建系统的仿真程序，然后设置仿真参数，在仿真设置中，结束时间按所需时间进行设置，本实例设置时间为10s，最小间隔可以按所需精度进行选择，本实例设置间隔为0.001s，点击进行仿真，模型开始求解，经过AMESim中自带的求解器计算得到仿真结果，具体结果如图6和图7所示，预燃室的温度为626.15K，压力位34.5MPa，符合中国某型液氧煤油火箭发动机预燃室的预设值范围。同时本发明相比于传统的建模方法有着更强的可扩展性，便于不同型号的扩展与发动机系统实现。
本发明针对现有液氧煤油火箭发动机建模通用性的不强和建模复杂问题，通过IRC方法，得到ICR的预燃烧室方程，然后采用AMESim中的基础库中的元件和gmvol函数搭建超元件，通过CEA或RPA软件，得到目标压力、混合比和扩张比的气体热力参数，并导入模型中，得到液氧煤油火箭发动机的仿真结果。本发明可以显著提高模型的通用性，提高液氧煤油发动机仿真的可靠性。与传统的方法相比，本发明可以通过基础元件进行连接构成超元件，实现模块化，通用性好，操作方便的液氧煤油火箭发动机建模，便于工程实现。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于IRC方法的液氧煤油发动机预燃室建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、从元件库中选择出基础元件，并进行连接；
S2、设置元件子模型，计算需要的插值表；
S3、设置元件的参数，设置初始变量，并导入插值表；
S4、设置仿真步长和仿真时间，最终得到仿真计算结果；
所述IRC方法中的C单元的动力学方程表示为：
式中，V为容腔体积，为各边界面质量流量，ρ为工质密度，α,β分别为等压膨胀系数和等温体积模量，/>为单位时间热交换量，/>焓流量，Cp为定压比热，T为温度；
IR单元质量流量和焓流量的动力学模型表示为：
式中，A为管道单元流通截面积，L为管道单元特征长度，pup,pdown分别为管道进口和出口压力，Δpff为摩擦存在导致的管路压降，hup表示入口条件下的比焓；
燃气发生器中混合气质量守恒方程为：
式中，为氧化剂质量流量，/>为燃料质量流量，/>为预燃室出口质量流量，τ为时滞参数，Vc为燃气发生器体积；
根据理想气体状态方程，混合比表示为：
式中，dmo为氧化剂质量流量，dmf为燃料质量流量；
通过相关热力计算软件RPA或CEA，得到气体的热值RT：
RT＝RT(K,Pc)
作为混合气体腔，腔室压力的动态方程为：
所述步骤S2具体为：
进入到子模型界面，选择未定义的元件的子模型，并将整个连接起来的模型进行封装，建立一个超元件；
在超元件的编辑界面，对超元件的图标和接口进行调整与设置，并保存；
通过CEA软件，选择计算种类为火箭，设置压力范围，设置氧化剂和燃料，设置混合比，设置出口条件，计算所需压力、混合比以及扩张比条件下的燃烧产物的种类和比例，得到预燃室的插值表；
所述步骤S3具体为：
进入到参数设置界面，依次设置插值表参数，将超出插值表的部分进行忽略，并将插值的类型设置为连续三次方插值；
设置变量控制元件的上下限值，以使得到的参数在合理的范围内；设置混合气体腔元件，混合气介质号与定义的混合气介质号保持一致，包含的物质与定义的气体介质种类数保持一致；设置自定义函数模块，控制系统的启动，确保在没有进行点火的情况下，压力和温度与环境压力、环境温度一致；设置环境温度和压力，以使仿真从零开始。
2.根据权利要求1所述的基于IRC方法的液氧煤油发动机预燃室建模方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：基于AMESim平台，采用固定延迟的零维预燃室模型，在草图模式中，依次从信号、控制库、两相流库、混合气库和热流库中选择出基础元件。
3.根据权利要求1所述的基于IRC方法的液氧煤油发动机预燃室建模方法，其特征在于，所述步骤S4具体为，进入仿真界面，自动创建所搭建系统的仿真程序，设置仿真参数，在仿真设置中，结束时间按所需时间进行设置，最小间隔按所需精度进行选择，点击进行仿真，模型开始求解，经过AMESim中自带的求解器计算得到仿真结果。
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| 刘昆,张育林,程谋森.液体火箭发动机系统瞬变过程模块化建模与仿真.推进技术.2003,(05),全文. * |
| 液体火箭发动机系统瞬变过程模块化建模与仿真;刘昆, 张育林, 程谋森;推进技术;20031028(05);全文 * |
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