CN121351663A - 一种密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于氢氧燃烧掺混发射技术领域，公开了一种密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法，该方法根据密闭容器的实际结构尺寸，在仿真软件中建立其几何模型，然后基于构建的物理模型，设置控制方程、湍流模型、燃烧模型、求解器算法及初始条件，最后运行模型进行瞬态计算，并利用空间混合不均匀度SMD评价氢氧混合气体的混合均匀性，利用加注质量误差评价加注精准性。本申请方法通过构建该高精度数值模型，可深入探究混合与燃烧机理，为优化设计、抑制DDT、实现氢氧气体的精确加注与安全高效燃烧提供理论基础与方法支撑。

Description

一种密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法

技术领域

本申请属于氢氧燃烧掺混发射技术领域，具体涉及一种密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法。

背景技术

火炮发射技术自诞生以来，其能量释放均依赖于含能材料的化学能。常规固体发射药火炮通过药室内固体药剂的燃烧，生成高温高压燃气，经膨胀做功推动弹丸沿身管加速，以期获得高初速。在该过程中，推动弹丸加速的有效压力为弹底压力，而膛底与弹底间存在的压力梯度是装药质量比的强函数。因此，维持弹后高压环境是提升弹丸初速的有效途径，制式火炮通常通过增大装药质量实现此目的。

然而，该技术路径面临两个显著瓶颈：其一，装药量的提升必然导致最大膛压的急剧升高，为发射安全性带来严峻挑战；其二，更为根本的是，传统碳-氮基发射药燃气的分子量较高，导致其音速较低、声惯性较大。当弹丸初速超过1700m/s后，燃气膨胀补充弹底压力的速度已难以跟上弹丸的加速速度，膛底与弹底间的压力差急剧增大，能量利用率显著下降。此时，继续增加装药质量对初速的提升效益已微乎其微，常规固体发射药在追求超高速方面遇到了物理瓶颈。为突破此瓶颈，业界提出了减小发射药燃气声惯性的技术思路，即采用低分子量燃气工质。氢气因其最小的分子质量和极高的音速成为理想选择。氢氧燃烧产物为水蒸气，分子量极低，其高音速特性可确保膛底的高压能极快地传递至弹底，有效降低压力梯度，从而在理论上可支持弹丸获得远高于传统火炮的极限速度。

基于该原理的氢氧预混燃烧发射技术，是将氢气与氧气按特定当量比在高压下预先注入密闭燃烧室，经点燃后发生剧烈燃烧，产生高温高压工质推动弹丸或活塞。该技术具有工质声惯性小、理论炮口速度高、装填密度优越等潜在优势。但该过程同时伴随着极高的技术挑战：其一，高压环境下氢氧两种气体的快速掺混与均匀混合是实现可控燃烧的前提，其混合规律与效能亟待深入研究；其二，密闭空间内的高压预混气燃烧具有极高的能量释放率，其燃烧过程极易由缓和的爆燃不可控地转变为破坏性的爆轰（Deflagration toDetonation Transition,DDT），对燃烧室结构安全构成极大威胁。

目前，对于此瞬态、高温高压且伴随复杂化学反应的湍流燃烧过程，纯实验研究手段面临测点布置难、瞬时参数捕捉难、实验成本高与风险大等诸多困难。因此，发展一种能够精确表征高压氢氧预混气混合规律、火焰传播特性及DDT转变风险的数值模型，成为深入理解该过程物理化学机理、优化燃烧室设计与加注策略、并最终抑制非可控爆轰的关键所在，亦是推动氢能源发射技术从理论走向工程应用亟待解决的核心问题。

发明内容

为了解决高压下氢氧气体混合均匀性与速率难以控制、以及燃烧过程易发生爆燃转爆轰（DDT）的技术难题，本申请提供一种密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法，通过构建该高精度数值模型，可深入探究混合与燃烧机理，为优化设计、抑制DDT、实现氢氧气体的精确加注与安全高效燃烧提供理论基础与方法支撑。

在本申请的一方面，提供一种密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法，包括以下步骤：

S1、构建物理模型：基于密闭容器的实际结构，建立简化几何模型，所述几何模型包括容器主体和内部引信结构；

S2、构建数学模型：采用可压缩Navier-Stokes方程描述流动过程，采用多组分基元反应模型描述燃烧过程，采用大涡模拟（LES）或雷诺平均模拟（RANS）方法描述湍流过程；

S3、设置求解器与算法：选用基于压力的求解器，采用PISO算法进行压力-速度耦合，设置瞬态计算模式；

S4、初始化与边界条件设置：设定初始工质为氧气，通入氢气进行混合；

S5、混合均匀性评估：采用空间混合不均匀度SMD作为评估指标，分别在径向和轴向剖面上计算SMD值，以判断氢氧混合均匀性。

在一个实施方式，所述物理模型形状底部直径大于顶部直径的圆台柱体，内部设有点火引信。

在一个实施方式，所述数学模型中燃烧过程采用9组分19步基元反应模型。

在一个实施方式，所述湍流模拟方法采用RANS法，并选用k-ω湍流模型。

在一个实施方式，所述求解器为基于压力的求解器，采用PISO算法进行瞬态计算，设置重力方向。

在一个实施方式，所述初始介质的初始压力为5.4MPa。

在一个实施方式，所述空间混合不均匀度SMD的计算公式为：

其中，标准差（σ _f）的计算公式为：

σ _f=

其中，N表示统计范围内的总网格节点数；表示二维测量平面上第i个网格节点处的燃料质量分数；表示该平面上所有节点燃料质量分数的算术平均值。

在一个实施方式，所述氢气加注过程的气体质量误差控制在±1%以内。

在一个实施方式，在步骤S1中采用ANSYS Fluent或ANSYS CFX构建物理模型。

在本申请的另一方面，提供一种上述方法的氢氧预混燃烧模拟系统，包括：

几何建模模块，用于构建所述密闭容器的三维几何模型，包括容器主体结构及内部点火引信结构；

数学模型配置模块，用于配置所述流动过程、燃烧过程和湍流过程的控制方程及模型参数；

求解器配置模块，用于选择求解器类型、设置压力-速度耦合算法、时间推进方式及收敛条件；

后处理与分析模块，用于对模拟结果进行可视化处理，并计算空间混合不均匀度（SMD）以评估氢氧混合均匀性。

本申请的有益效果为：

1）揭示复杂机理，提升本质安全：本申请所构建的高保真数值模型能够清晰再现密闭容器内瞬态高压氢氧燃烧的详细过程，特别是成功捕捉爆燃转爆轰（DDT）现象。通过模拟，可以深入研究压力波与火焰面耦合、湍流加速火焰等导致DDT的物理化学机理，为从根源上设计抑爆方案、制定安全准则提供理论依据和可视化手段，极大提升了氢能源发射技术的本质安全性。

2）实现精准预测与优化设计：通过采用详细的基元反应模型和先进的湍流模型，该模型对燃烧速率、压力峰值、温度分布等关键参数的预测精度远高于传统经验或准全局反应模型。使得工程师能够在实物试验之前，虚拟地优化燃烧室结构、点火器位置、配比和加注策略，从而有效缩短研发周期，降低试错成本，并最终实现更高性能（如更高弹丸初速）的设计。

3）大幅降低研发成本与风险：该方法通过计算机数值模拟替代或减少高风险、高成本的重复性物理实验（尤其是在>30MPa的高压环境下）。能够在绝对安全的虚拟环境中研究极端工况（如近爆轰条件），从而避免潜在的实验爆炸风险，节省大量的人力、物力和财力。

附图说明

图1是本申请密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法的流程示意图；

图2是本申请混合室的结构图；其中，a为外部结构，b为剖面图；

图3是本申请混合室的网格示意图；

图4是本申请实施例竖直放置孔数目变化质量分布云图；其中，a为单孔置于底部（直径20mm），b为双孔置于底部（直径14.14mm），c为四孔置于底部(直径10mm)；

图5是本申请实施例竖直放置SMD随加注孔数目变化图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的一个具体实施方式，提供一种密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法，以阐明火焰传播规律、燃爆爆轰转变机制及其抑制方法。参照图1所示，包括：构建物理模型：基于密闭容器的实际结构，建立简化几何模型，所述几何模型包括容器主体和内部引信结构；构建数学模型：采用可压缩Navier-Stokes方程描述流动过程，采用多组分基元反应模型描述燃烧过程，采用大涡模拟或雷诺平均模拟方法描述湍流过程；设置求解器与算法：选用基于压力的求解器，采用PISO算法进行压力-速度耦合，设置瞬态计算模式；初始化与边界条件设置：设定初始工质为氧气，通入氢气进行混合；混合均匀性评估：采用空间混合不均匀度SMD作为评估指标，分别在径向和轴向剖面上计算SMD值，以判断氢氧混合均匀性。具体过程如下：

1）物理模型构建：基于密闭容器的实际结构，建立简化几何模型，所述几何模型包括容器主体和内部引信结构。

简化模型容积为三升，底部直径略大的近似圆柱体，内部中心位置有圆柱体形状的引信，具体结构如图2所示，具体参数如表1所示。采用ANSYS Fluent或ANSYS CFX构建物理模型。流体域剖面示意图如图2中b所示。其中内部空白体积为引信，发挥点火引燃作用。将几何结构导入Fluent中，具体网格如图3所示。

表1腔体参数

2）构建数学模型：采用可压缩Navier-Stokes方程描述流动过程，采用多组分基元反应模型描述燃烧过程，采用大涡模拟或雷诺平均模拟方法描述湍流过程。

在本申请的某些实施例中，燃烧过程采用9组分19步基元反应模型。如下表2所示。

表2 氢氧9种组分19步基元反应的化学动力学机理模型

单位：（cm³，mol，sec，cal，K）

在本申请数值模型的实施过程中，射流混合过程会产生高度非线性的湍流流动，因此需选用恰当的湍流数值模拟方法。目前主流方法包括直接数值模拟法(DNS)与非直接数值模拟方法。

所述直接数值模拟法通过直接求解瞬态Navier-Stokes方程，解析所有尺度的涡旋结构。然而，该方法需捕获最小尺度的涡流，对网格尺寸与时间步长要求极为严苛，计算资源消耗巨大，远超当前常规工程计算硬件的承载能力，因此难以投入实际应用。

所述非直接数值模拟方法包含大涡模拟法(LES)与雷诺平均法(RANS)。大涡模拟法通过直接解析大尺度涡并建模小尺度涡，虽能较准确刻画流场细节，但对计算网格及计算资源仍具有较高要求。相比之下，雷诺平均法通过求解经时间平均的Navier-Stokes方程，将瞬态脉动通过模型体现，侧重于刻画湍流所导致的时均流场变化，该方法计算效率较高，在工程实践中应用最为广泛。

优选的，鉴于本申请所涉模型需兼顾计算精度与可行性，故选用雷诺平均法作为湍流模拟方法。该方法通过引入湍流模型封闭并求解RANS方程；其中，采用基于Boussinesq假设的涡粘模型，通过引入湍流粘度μ _t对雷诺应力张量τ _ij进行建模，其表达式为：

其中，S _ij表示平均应变率张量、为流体密度、为平均速度在i方向的分量、为平均速度在j方向的分量、为湍流粘度、为平均应变率张量、为湍动能、为克罗内克函数、为速度散度。

雷诺应力和应变率张量S _ij的关系表示为：

其中，为在i方向脉动速度的分量、为在j方向脉动速度的分量、为i、j方向上脉动速度的协方差、为湍流粘度。

在某些实施例中，RANS方法包含多种湍流模型，需根据具体流动特性选择适用模型。例如，S-A（Spalart-Allmaras）模型在模拟机翼跨声速流动等外流问题时表现出良好的收敛特性，但其未集成壁面函数，对近壁区流动分辨能力有限；k-ε模型适用于无明显分离和强压力梯度的流动，但其对逆压梯度及流动分离的预测存在不足；k-ω模型则通过引入比ε更容易求解的特定湍流耗散率ω，显著提升了对曲率流动、分离流及存在逆压梯度工况的模拟精度，因此在射流等内流问题中广泛应用。鉴于本申请所模拟的密闭容器内氢氧混合射流过程中，流道结构存在明显曲率，流动易发生分离且可能存在逆压梯度区域，为准确捕捉此类流动特征，优选采用k-ω湍流模型进行数值计算。

3）设置求解器与算法：选用基于压力的求解器，采用PISO算法进行压力-速度耦合，设置瞬态计算模式。

在某些实施例中，在ANSYS Fluent软件平台中，提供了两种不同类型的求解器：基于压力的求解器（Pressure-Based Solver）与基于密度的求解器（Density-BasedSolver），后者也称为耦合式求解器（Coupled Solver）。基于压力的求解器通过投影法（Projection Method）原理，将连续性方程与动量方程分离求解，先求解动量方程获得速度场，再通过求解压力校正方程对速度场进行修正，使其满足质量守恒。该方法对计算机内存需求相对较低，计算量较小，非常适合于亚音速及不可压缩流动的模拟。鉴于本发明所模拟的密闭容器内氢氧混合及燃烧过程初始阶段流速较低，且压力基求解器已能完全满足本模拟的精度与稳定性要求，因此，在本实施方式中，选择基于压力的求解器。

进一步地，对基于压力的求解器算法进行设置。Fluent提供了多种压力-速度耦合算法，包括SIMPLE、SIMPLEC、PISO以及基于压力的耦合算法（Coupled）。对于本申请所涉及的瞬态（Transient）计算，尤其是可能存在大时间步长或网格畸变的情况，压力隐式算子分裂法（PISO）算法表现出显著优势。PISO算法属于预测-校正类方法，通过引入邻近校正（Neighbor Correction）和skewness校正（Skewness Correction），在一次迭代内进行多次压力校正，从而更高效地解决压力与速度场的耦合问题。该算法即使在松弛因子设置为1.0的情况下仍能保持计算稳定，非常适合于瞬态计算，能有效加速非定常问题的收敛。因此，本实施方式明确选择 PISO算法作为压力-速度耦合方案。

此外，需对物理环境进行定义。由于重力对容器内气体的分层与混合过程有潜在影响，故在计算中启用重力并正确设置其方向。流体介质定义为氢气（H₂）和氧气（O₂）的混合物。在设置多相流模型时，将第一相（Primary Phase）定义为氧气，将第二相（SecondaryPhase）定义为氢气，以准确模拟氢气注入充满氧气的容器的初始状态。

计算的收敛性通过残差（Residual）监控进行判断。将所有相关物理量（如连续性、动量、组分、能量等）的残差收敛标准设置为1×10^-3。当所有监测量的残差值均低于此阈值时，判定当前时间步的计算结果已经收敛，方可进入下一时间步的计算。

4）初始化与边界条件设置：设定初始工质为氧气，通入氢气进行混合。

模型的初始化采用混合初始化（Hybrid Initialization）方法，该方法能提供物理上更合理的初始场分布。初始条件设置为：整个计算域内充满压力为5.4 MPa的氧气。瞬态计算开始后，通过边界条件设置向该初始环境中通入氢气，以模拟真实的氢气加注过程。

在某些实施例中，实现氢氧气体的精准加注是确保模拟结果可靠性与重现性的关键前提。为此，对加注过程的精准性进行了专门定义与控制。

所述加注精准性，核心在于控制通入容器的氢气质量的精确度。本申请通过设定加注气体的质量误差范围来量化这一精准性，并将其与加注时间相关联。具体而言，在数值模拟中，通过精确控制边界条件（如入口流速、压力随时间的变化曲线）来模拟实际的加注过程。该加注曲线（或程序）的设定，充分考虑了工程实践中气动控制阀的开关响应时间等动态特性，从而确保模拟的加注过程能够真实反映物理系统的瞬态行为。

基于氢氧燃烧对混合当量比的敏感性及工程可实现性，在本申请中：加注结束时，容器内氢气的实际质量与理论目标质量之间的误差，须控制在±1%的允许范围内。该误差范围是评判加注过程是否“精准”的合格标准。

为实现这±1%的高精度要求，在实施过程中，需通过数值模拟反复迭代优化加注策略（如阀门的开启速率、加注持续时间等），直至在设定的加注时间下，氢气的计算加注质量稳定地落在目标质量的99%至101%之间。

5）混合均匀性评估：采用空间混合不均匀度SMD作为评估指标，分别在径向和轴向剖面上计算SMD值，以判断氢氧混合均匀性。

为客观、准确地评判混合效果，本申请引入空间混合不均匀度（Spatial MixingNon-uniformity, SMD）作为核心评价指标。

所述SMD在数学上定义为变异系数（Coefficient of Variation），即样本的标准差（σ _f）与均值（）之比，其计算公式为：

其中，标准差（σ _f）的计算公式为：

σ _f=

其中，N表示统计范围内的总网格节点数；表示二维测量平面上第i个网格节点处的燃料质量分数；表示该平面上所有节点燃料质量分数的算术平均值。

该指标的物理意义在于：其值越小，表明燃料在氧化剂中的分布越均匀。具体而言：

当SMD≈1时，表示燃料与氧化剂几乎完全分离，处于分层状态，混合效果极差；

当SMD≈0时，表示燃料浓度分布在整个统计区域内趋于一致，混合高度均匀。

为全面评估容器内的混合情况，本申请分别沿径向剖面和轴向剖面两个正交方向计算SMD值，以获取混合均匀性的空间分布特征。

基于工程实践和参照旋流燃烧器的相关标准，本申请设定混合均匀性的合格标准为：SMD<0.01。当计算所得SMD值低于此阈值时，即认为氢氧混合气体的均匀性满足瞬态高压燃烧的使用需求。

在本申请的另一具体实施方式，提供一种上述方法的氢氧预混燃烧模拟系统，包括几何建模模块、数学模型配置模块、求解器配置模块和后处理与分析模块。

所述几何建模模块用于构建所述密闭容器的三维几何模型，包括容器主体结构及内部点火引信结构；所述几何建模模块进一步包括三维建模单元和网格划分单元。所述三维建模单元用于生成所述密闭容器及引信的实体模型；所述网格划分单元用于对所述实体模型进行网格离散化，生成计算网格。

所述数学模型配置模块用于配置所述流动过程、燃烧过程和湍流过程的控制方程及模型参数；所述数学模型配置模块包括反应机制设置单元和湍流模型设置单元。所述反应机制设置单元用于设定氢氧燃烧的多步基元反应机制；湍流模型设置单元，所述用于选择并配置RANS或LES湍流模型及其参数。

所述求解器配置模块用于选择求解器类型、设置压力-速度耦合算法、时间推进方式及收敛条件；所述求解器配置模块包括算法选择单元和物理条件设置单元，所述算法选择单元用于选择基于压力的求解器及PISO算法，所述物理条件设置单元用于设置初始压力、工质类型、重力方向及边界条件。

所述后处理与分析模块用于对模拟结果进行可视化处理，并计算空间混合不均匀度（SMD）以评估氢氧混合均匀性。所述后处理与分析模块包括SMD计算单元和可视化输出单元，所述SMD计算单元用于在指定径向和轴向剖面上计算燃料质量分数的离散系数；所述可视化输出单元用于生成压力场、温度场及浓度场的时空分布图。

所述系统还包括加注控制模块，用于模拟氢气加注过程，并根据质量误差反馈调整加注策略，控制误差在±1%范围内。

实施例：分析加注孔数目对混合均匀性影响

向容积为3升的圆柱形容器内充注氢氧气体。首先按照结构尺寸获取相对应的几何结构，具体结构如图2(a)所示，具体参数如表1所示。

流体域剖面示意图如图2(b)所示。其中内部空白体积为传火管，起到点火引燃作用。将几何结构导入Fluent中，具体网格如图3所示。

假设模型竖直放置，在质量流速一定（0.5kg/min）的情况，加注时间20s，在多个工况下进行模拟，20s时具体质量分数分布云图如图4所示，具体结果如表3所示。

表3竖直放置孔数目变化氢氧混合

结合图5观察发现，随着孔数目由1增加到4，氢气质量分布水平方向(即轴向)的SMD从0.0369逐渐下降至0.0118，则随着孔数目增加氢气分布越发均匀。由此可知，竖直放置工况下，孔数目越多，氢气氧气混合越均匀。

尽管以上结合附图对本申请的实施方案进行了描述，但本申请并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本申请权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本申请保护之列。

Claims (10)

1.一种密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法，其特征在于，包括：

S1、构建物理模型：基于密闭容器的实际结构，建立简化几何模型，所述几何模型包括容器主体和内部引信结构；

S2、构建数学模型：采用可压缩Navier-Stokes方程描述流动过程，采用多组分基元反应模型描述燃烧过程，采用大涡模拟或雷诺平均模拟方法描述湍流过程；

S3、设置求解器与算法：选用基于压力的求解器，采用PISO算法进行压力-速度耦合，设置瞬态计算模式；

S4、初始化与边界条件设置：设定初始工质为氧气，通入氢气进行混合；

S5、混合均匀性评估：采用空间混合不均匀度SMD作为评估指标，分别在径向和轴向剖面上计算SMD值，以判断氢氧混合均匀性。

2.根据权利要求1所述的密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法，其特征在于，所述物理模型形状底部直径大于顶部直径的圆台柱体，内部设有点火引信。

3.根据权利要求1所述的密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法，其特征在于，所述数学模型中燃烧过程采用9组分19步基元反应模型。

4.根据权利要求1所述的密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法，其特征在于，所述湍流模拟方法采用雷诺平均模拟法，并选用k-ω湍流模型。

5.根据权利要求1所述的密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法，其特征在于，所述求解器为基于压力的求解器，采用PISO算法进行瞬态计算，并设置重力方向。

6.根据权利要求1所述的密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法，其特征在于，所述初始介质的初始压力为5.4MPa。

7.根据权利要求1所述的密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法，其特征在于，所述空间混合不均匀度SMD的计算公式为：

其中，标准差σ _f的计算公式为：

σ _f=

其中，N表示统计范围内的总网格节点数；表示二维测量平面上第i个网格节点处的燃料质量分数；表示该平面上所有节点燃料质量分数的算术平均值。

8.根据权利要求1所述的密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法，其特征在于，所述氢气加注过程的气体质量误差控制在±1%以内。

9.根据权利要求1所述的密闭容器瞬态高温压氢氧预混燃烧数值模型构建方法，其特征在于，在步骤S1中采用ANSYS Fluent或ANSYS CFX构建物理模型。

10.权利要求1~9中任一项所述方法的氢氧预混燃烧数值模拟系统，其特征在于，包括：

几何建模模块，用于构建所述密闭容器的三维几何模型，包括容器主体结构及内部点火引信结构；

数学模型配置模块，用于配置所述流动过程、燃烧过程和湍流过程的控制方程及模型参数；

求解器配置模块，用于选择求解器类型、设置压力-速度耦合算法、时间推进方式及收敛条件；

后处理与分析模块，用于对模拟结果进行可视化处理，并计算空间混合不均匀度以评估氢氧混合均匀性。