CN117875222B - 一种长距离级间分离轨迹数值预测方法及设备 - Google Patents
一种长距离级间分离轨迹数值预测方法及设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种长距离级间分离轨迹数值预测方法及设备，其中方法包括：生成计算常规气动特性的前体网格和后体网格；求解定常计算流体力学方程，获取前体每个网格单元的流场信息值；确定前体尾流区域与自由来流区域流场信息差异小于设定值的轴向位置；生成级间分离重叠网格；耦合两套网格求解级间干扰流场，通过两级的气动力和力矩求解刚体运动方程得到时刻两级的移动位置和姿态角；将级间分离重叠网格重新移动和旋转，继续耦合；后体脱离前体干扰区，两级解耦求解；将时刻两级的移动位置和姿态角传值给前体网格和后体网格，循环重复，最终得到长距离级间分离两级随时间变化的轨迹和姿态。本发明可提高长距离级间分离轨迹数值预测效率。
Description
技术领域
本发明涉及物体轨迹数值预测技术领域，尤其涉及一种长距离级间分离轨迹数值预测方法及设备。
背景技术
级间分离安全性关乎飞行器发射成败，分析评估级间分离安全性是飞行器级间分离方案设计中十分重要的环节。目前主要通过风洞试验和非定常数值模拟等方法开展级间分离安全性评估工作。相比于风洞试验，非定常数值模拟评估周期短，被广泛运用于级间分离安全性评估。但对于某些特殊的级间分离过程，非定常数值模拟的计算周期和成本仍然难以接受。如对于级间分离后还将关注主级尾部小型飞行器的尾退分离安全性的级间分离过程。
为了保证小型飞行器脱离主级后不与助推级发生碰撞，必然要保证尾退分离前主级和助推级间较长的级间安全距离，这就需要对小型飞行器分离前主级和助推级的分离轨迹进行分析研究。由于级间分离距离较远，若采用基于重叠网格的非定常数值模拟方法，需要对级间长距离进行网格加密处理，导致计算网格量急剧增加，通过CFD非定常数值模拟求解长距离全过程级间分离轨迹，评估级间分离安全性的计算效率低，计算成本难以接受。因此为了提高长距离级间分离轨迹数值预测效率，需要探索一种高效的长距离级间分离轨迹数值预测方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种长距离级间分离轨迹数值预测方法及设备，本发明抓住级间分离一定距离后级间气动干扰减弱的特点，将长距离级间分离分为两段求解，采用分离初期级两级耦合求解和分离后期两级解耦求解相结合的方法，可解决长距离级间分离轨迹数值预测效率低的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种长距离级间分离轨迹数值预测方法，包括：
步骤一：生成计算气动特性的前体网格和后体网格/>；
步骤二：求解定常计算流体力学方程，获取前体每个网格单元的流场信息值；
步骤三：确定前体尾流区域与自由来流区域流场信息差异小于设定值的轴向位置；
步骤四：生成级间分离重叠网格，包括前体背景网格和后体子网格/>；
步骤五：基于所述级间分离重叠网格，耦合两套网格求解级间干扰流场；通过两级的气动力和力矩求解刚体运动方程得到时刻两级的移动位置和姿态角；
步骤六：基于时刻两级的移动位置和姿态角，将级间分离重叠网格重新移动和旋转，继续耦合两套网格求解级间干扰流场，循环步骤五~步骤六；
步骤七：后体脱离前体干扰区，两级解耦求解；
步骤八：将时刻两级的移动位置和姿态角传值给前体网格/>和后体网格/>，重复步骤七，最终得到长距离级间分离两级随时间变化的轨迹和姿态。
进一步地，步骤二包括：按照指定的级间分离来流条件，基于前体网格，通过求解定常计算流体力学方程，获取前体每个网格单元的流场信息值；所述级间分离来流条件的流场信息包括/>，其中/>为x方向速度，/>为y方向速度，/>为z方向速度，/>为压强，/>为密度。
进一步地，步骤三包括：在前体轴向沿线上取一点m，当点m到前体底部的距离大于第一阈值，且点m对应的网格单元的流场信息与来流条件的流场信息偏差小于第二阈值，则找到前体尾流区域与自由来流区域流场信息差异小于设定值的轴向位置，即距底部轴向距离大于第一阈值/>的尾流区域。
进一步地，判断点m对应的网格单元的流场信息与来流条件的流场信息偏差是否小于第二阈值的方法包括：
其中，点m对应的网格单元的流场信息为，来流条件的流场信息为/>，/>和/>为x方向速度，/>和/>为y方向速度，/>和为z方向速度，/>和/>为压强，/>和/>为密度；/>为差异敏感参数。
进一步地，步骤四中，后体子网格的插值边界为圆柱面，前体背景网格/>在前体网格/>的基础上增加尾流区域网格加密区；所述网格加密区范围为一个圆台，圆台左底端面为前体后端面，左底端面半径为/>；圆台右端面距离左端面轴向距离为，右底端面半径为/>；其中，/>为后体子网格的插值边界到后体轴线的距离，/>为网格加密区松弛半径，/>为第一阈值，/>为圆柱轴向距离，/>为网格加密区拓展距离。
进一步地，步骤五包括：基于前体背景网格和后体子网格/>，耦合两套网格求解级间干扰流场；通过求解计算流体力学方程得到/>时刻两套网格流场信息和前后体积分气动力及力矩；通过两级的气动力和力矩求解刚体运动方程得到/>时刻两级的移动位置/>和/>，两级的姿态角/>和/>，其中/>为偏航角，/>为俯仰角，/>为滚转角。
进一步地，步骤七中，若时刻两级级间距离/>大于第一阈值/>，则两级解耦求解，其中：
此时两级的移动位置为和/>，姿态角为/>和/>。
进一步地，步骤七包括以下子步骤：
步骤七（a）：将时刻两级的移动位置和姿态角传值给前体网格/>和后体网格；
步骤七（b）：将前体网格和后体网格/>按照/>时刻两级的移动位置和姿态角进行平移和旋转；
步骤七（c）：平移旋转后两级解耦同步求解计算流体力学方程，得到时刻前体网格/>、后体网格/>以及两套网格流场信息和前后体积分气动力及力矩；通过两级的气动力和力矩求解刚体运动方程得到/>时刻两级的移动位置/>和，两级的姿态角/>和。
进一步地，步骤八包括：将时刻两级的移动位置和姿态角传值给前体网格/>和后体网格/>，重复步骤七（b）~步骤七（c）；循环往复，直至/>时刻两级级间距离/>大于预设的级间长距离值/>，计算结束，得到长距离级间分离两级随时间变化的轨迹和姿态。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述长距离级间分离轨迹数值预测方法的步骤。
本发明的有益效果在于：
本发明针对长距离级间分离计算量大效率低的问题，在级间分离初期预估了级间干扰尾流区域，对指定区域进行了网格加密，能够提高级间流场的模拟精度，同时避免不必要的网格加密区，造成计算浪费；在后体脱离级间干扰流场后两级解耦并行求解，进一步提高计算效率。
附图说明
图1是长距离级间分离轨迹数值预测方法流程图；
图2是前体网格计算的对称面流场信息和等值线图；
图3是前体尾流干扰区示意图；
图4是后体重叠网格对称面截面图；
图5是前体重叠网格对称面截面图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
实施例1
本实施例提出一种长距离级间分离轨迹数值预测方法，根据级间分离一定距离后级间气动干扰减弱的特点，将长距离级间分离分为两段求解，采用分离初期级两级耦合求解和分离后期两级解耦求解相结合的方法，从而解决长距离级间分离轨迹数值预测效率低的问题。
如图1所示，本实施例长距离级间分离轨迹数值预测方法具体包括以下步骤：
步骤一：生成计算常规气动特性的前体网格和后体网格/>。
步骤二：求解定常计算流体力学方程，获取前体每个网格单元的流场信息值。具体地，按照指定的级间分离来流条件，基于前体网格，求解定常计算流体力学方程，获取前体每个网格单元的流场信息值。优选地，级间分离来流条件的流场信息可以是，其中/>为x方向速度，/>为y方向速度，/>为z方向速度，/>为压强，/>为密度。
步骤三：确定前体尾流区域与自由来流区域流场信息差异较小的轴向位置。优选地，在前体轴向沿线上取一点m，当点m到前体底部的距离大于第一阈值，且点m对应的网格单元的流场信息与来流条件的流场信息偏差小于第二阈值，则找到前体尾流区域与自由来流区域流场信息差异小于设定值的轴向位置，即距底部轴向距离大于第一阈值/>的尾流区域。更为优选地，判断点m对应的网格单元的流场信息与来流条件的流场信息偏差是否小于第二阈值的方法可以是：
（1）
其中，点m对应的网格单元的流场信息为，来流条件的流场信息为/>，/>和/>为x方向速度，/>和/>为y方向速度，/>和为z方向速度，/>和/>为压强，/>和/>为密度；/>为差异敏感参数，可调节，一般为1~3。
步骤四：生成级间分离重叠网格，包括前体背景网格和后体子网格/>。优选地，后体子网格/>的插值边界为圆柱面，前体背景网格/>在前体网格/>的基础上增加尾流区域网格加密区。网格加密区范围为一个圆台，圆台左底端面为前体后端面，左底端面半径为/>；圆台右端面距离左端面轴向距离为/>，右底端面半径为/>；其中，/>为后体子网格的插值边界到后体轴线的距离，/>为网格加密区松弛半径，/>为第一阈值，/>为圆柱轴向距离，/>为网格加密区拓展距离。更为优选地，，/>。
步骤五：基于级间分离重叠网格，耦合两套网格求解级间干扰流场。通过两级的气动力和力矩求解刚体运动方程得到时刻两级的移动位置和姿态角。优选地，步骤五包括：基于前体背景网格/>和后体子网格/>，耦合两套网格求解级间干扰流场；通过求解计算流体力学方程得到/>时刻两套网格流场信息和前后体积分气动力及力矩；通过两级的气动力和力矩求解刚体运动方程得到/>时刻两级的移动位置/>和，两级的姿态角/>和，其中/>为偏航角，/>为俯仰角，/>为滚转角。
步骤六：基于时刻两级的移动位置和姿态角，将级间分离重叠网格重新移动和旋转，继续耦合两套网格求解级间干扰流场，循环步骤五~步骤六。
步骤七：后体脱离前体干扰区，两级解耦求解。优选地，若时刻两级级间距离大于第一阈值/>，则进行两级解耦求解，其中：
（2）
此时两级的移动位置为和/>，姿态角为/>和/>。
更为优选地，步骤七包括以下子步骤：
步骤七（a）：将时刻两级的移动位置和姿态角传值给前体网格/>和后体网格，前体网格/>和后体网格/>相比于重叠网格网格量大大减小，计算量减小。
步骤七（b）：将前体网格和后体网格/>按照/>时刻两级的移动位置和姿态角进行平移和旋转。
步骤七（c）：平移旋转后两级解耦同步求解计算流体力学方程，得到时刻前体网格/>、后体网格/>以及两套网格流场信息和前后体积分气动力及力矩；通过两级的气动力和力矩求解刚体运动方程得到/>时刻两级的移动位置/>和，两级的姿态角/>和。解耦同步并行求解可以进一步提高计算效率。
步骤八：将时刻两级的移动位置和姿态角传值给前体网格/>和后体网格/>，重复步骤七（b）~步骤七（c）；循环往复，直至/>时刻两级级间距离/>大于预设的级间长距离值/>，计算结束，得到长距离级间分离两级随时间变化的轨迹和姿态。优选地，级间长距离值/>可以为50m~100m。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上：
本实施例提供了一种长距离级间分离轨迹数值预测方法，包括以下步骤：
步骤一：生成计算常规气动特性的前体网格和后体网格/>。
步骤二：按照指定的级间分离来流条件，基于前体网格，通过求解定常计算流体力学方程，获取前体每个网格单元的流场信息值。其中，来流条件流场信息为，其中/>为x方向速度，/>为y方向速度，/>为z方向速度，/>为压强，/>为密度。如图2所示为前体网格/>计算的对称面流场信息，这里用x方向速度（即图2中velocityX）着色和等值线展示计算结果。速度的单位为国际单位/>，压强的单位为国际单位/>，密度的单位为国际单位/>，后续相关物理量均为国际单位制。
步骤三：找到前体尾流区域与自由来流区域流场信息差异较小的轴向位置。来流条件，如图3所示，/>的等值线与轴线的交点为点m，点m对应的网格单元的流场信息/>与来流条件的流场信息偏差满足式（1），小于1%。图3中，/>。
步骤四：生成级间分离计算的重叠网格，包含前体背景网格，后体子网格。后体子网格/>的插值边界为圆柱面。后体子网格的插值边界到后体轴线的距离为/>，圆柱轴向距离为/>。背景网格/>在前体网格/>的基础上增加尾流区域网格加密区。网格加密区范围为一个圆台：圆台左底端面为前体后端面，左底端面半径为/>，圆台右端面距离左端面轴向距离为/>。右底端面半径为/>。其中，/>为加密区拓展距离，一般为：/>。重叠网格对称面示意图如图4~图5所示。
步骤五：基于生成的级间分离重叠网格和/>，耦合两套网格求解级间干扰流场。通过求解计算流体力学方程得到/>时刻两套网格流场信息和前后体积分气动力及力矩。通过两级的气动力和力矩求解刚体运动方程得到/>时刻两级的移动位置和姿态角：
；
；
；
。
步骤六：基于求得的时刻两级新的位置和姿态，将级间分离重叠网格/>和重新移动和旋转，继续耦合两套网格求解级间干扰流场，循环步骤五~步骤六。
步骤七：两级解耦求解。时刻，若/>，则两级解耦求解，此时两级的的移动位置和姿态角为：
；
；
；
。
步骤七（a）：将时刻两级的移动位置和姿态角传值给前体网格/>和后体网格。
步骤七（b）：将前体网格和后体网格/>按照/>时刻两级的移动位置和姿态角进行平移和旋转。
步骤七（c）：平移旋转后两级解耦同步求解计算流体力学方程，得到时刻前体网格/>和后体网格/>的。两套网格流场信息和前后体积分气动力及力矩。通过两级的气动力和力矩求解刚体运动方程得到/>时刻两级的移动位置和两级的姿态角。
步骤八：将时刻两级的移动位置和姿态角传值给前体网格/>和后体网格/>，重复步骤七（b）~步骤七（c）；循环往复，直至/>，计算结束，得到长距离级间分离两级随时间变化的轨迹和姿态。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上：
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行该计算机程序时实现实施例1的长距离级间分离轨迹数值预测方法的步骤。其中，计算机程序可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或者某些中间形式等。
实施例4
本实施例在实施例1的基础上：
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例1的长距离级间分离轨迹数值预测方法的步骤。其中，计算机程序可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或者某些中间形式等。存储介质包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，存储介质不包括电载波信号和电信信号。
需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简便描述，故将其表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
Claims (8)
1.一种长距离级间分离轨迹数值预测方法，其特征在于，包括：
步骤一：生成计算气动特性的前体网格和后体网格/>；
步骤二：求解定常计算流体力学方程，获取前体每个网格单元的流场信息值；
步骤三：确定前体尾流区域与自由来流区域流场信息差异小于设定值的轴向位置；
步骤四：生成级间分离重叠网格，包括前体背景网格和后体子网格/>；
步骤五：基于所述级间分离重叠网格，耦合两套网格求解级间干扰流场；通过两级的气动力和力矩求解刚体运动方程得到时刻两级的移动位置和姿态角；
步骤六：基于时刻两级的移动位置和姿态角，将级间分离重叠网格重新移动和旋转，继续耦合两套网格求解级间干扰流场，循环步骤五~步骤六；
步骤七：后体脱离前体干扰区，两级解耦求解；
步骤八：将时刻两级的移动位置和姿态角传值给前体网格/>和后体网格/>，重复步骤七，最终得到长距离级间分离两级随时间变化的轨迹和姿态；
步骤七中，若时刻两级级间距离/>大于第一阈值/>，则两级解耦求解，其中：
此时后体子网格的移动位置为/>，前体背景网格/>的移动位置为/>，后体子网格/>的姿态角为，前体背景网格/>的姿态角为，其中/>为偏航角，/>为俯仰角，/>为滚转角；
步骤七包括以下子步骤：
步骤七（a）：将时刻两级的移动位置和姿态角传值给前体网格/>和后体网格/>；
步骤七（b）：将前体网格和后体网格/>按照/>时刻两级的移动位置和姿态角进行平移和旋转；
步骤七（c）：平移旋转后两级解耦同步求解计算流体力学方程，得到时刻前体网格、后体网格/>以及两套网格流场信息和前后体积分气动力及力矩；通过两级的气动力和力矩求解刚体运动方程得到/>时刻：后体网格/>的移动位置和前体背景网格的移动位置/> ，后体网格/>的姿态角/>和前体背景网格/>的姿态角。
2.根据权利要求1所述的一种长距离级间分离轨迹数值预测方法，其特征在于，步骤二包括：按照指定的级间分离来流条件，基于前体网格，通过求解定常计算流体力学方程，获取前体每个网格单元的流场信息值；所述级间分离来流条件的流场信息包括，其中/>为x方向速度，/>为y方向速度，/>为z方向速度，/>为压强，/>为密度。
3.根据权利要求1所述的一种长距离级间分离轨迹数值预测方法，其特征在于，步骤三包括：在前体轴向沿线上取一点m，当点m到前体底部的距离大于第一阈值，且点m对应的网格单元的流场信息与来流条件的流场信息偏差小于第二阈值，则找到前体尾流区域与自由来流区域流场信息差异小于设定值的轴向位置，即距底部轴向距离大于第一阈值/>的尾流区域。
4.根据权利要求3所述的一种长距离级间分离轨迹数值预测方法，其特征在于，判断点m对应的网格单元的流场信息与来流条件的流场信息偏差是否小于第二阈值的方法包括：
其中，点m对应的网格单元的流场信息为，来流条件的流场信息为/>，/>和/>为x方向速度，/>和/>为y方向速度，/>和/>为z方向速度，/>和/>为压强，/>和/>为密度；/>为差异敏感参数。
5.根据权利要求1所述的一种长距离级间分离轨迹数值预测方法，其特征在于，步骤四中，后体子网格的插值边界为圆柱面，前体背景网格/>在前体网格/>的基础上增加尾流区域网格加密区；所述网格加密区范围为一个圆台，圆台左底端面为前体后端面，左底端面半径为/>；圆台右端面距离左端面轴向距离为/>，右底端面半径为/>；其中，/>为后体子网格的插值边界到后体轴线的距离，/>为网格加密区松弛半径，/>为第一阈值，/>为圆柱轴向距离，/>为网格加密区拓展距离。
6.根据权利要求1所述的一种长距离级间分离轨迹数值预测方法，其特征在于，步骤五包括：基于前体背景网格和后体子网格/>，耦合两套网格求解级间干扰流场；通过求解计算流体力学方程得到/>时刻两套网格流场信息和前后体积分气动力及力矩；通过两级的气动力和力矩求解刚体运动方程得到/>时刻：后体子网格/>的移动位置和前体背景网格/>的移动位置/>，后体子网格/>的姿态角/>和前体背景网格/>的姿态角，其中/>为偏航角，/>为俯仰角，/>为滚转角。
7.根据权利要求6所述的一种长距离级间分离轨迹数值预测方法，其特征在于，步骤八包括：将时刻两级的移动位置和姿态角传值给前体网格/>和后体网格/>，重复步骤七（b）~步骤七（c）；循环往复，直至/>时刻两级级间距离/>大于预设的级间长距离值，计算结束，得到长距离级间分离两级随时间变化的轨迹和姿态。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一项所述的长距离级间分离轨迹数值预测方法的步骤。
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|---|---|
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