[发明专利]一种火箭羽流仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于目标特性与识别技术领域，涉及一种火箭羽流仿真模型。

背景技术

火箭羽流流场的计算是为羽流的红外辐射场的计算提供基础数据。羽流流场的计算主要包括速度场、温度场、压力场的计算。尾流问题的研究方法多种多样，大致可分为如下三种：半经验和分析法、试验测量法以及数值模拟法。半经验和分析法主要是应用于比较简单的几何模型，在物理过程不太复杂、流动可视为线性的情况下，利用简化之后得到的半经验半理论公式或分析解，研究流动的问题，为飞行器的设计提供理论依据，但是随着人们对飞行器的性能要求越来越高，所需要研究的尾流流场问题就会越来越复杂，同时飞行器尾部的几何形状也更加复杂，流动模型也大多数是湍流的，如此半经验和分析法不能满足设计当今飞行器的要求。

试验测量法是利用实物模型飞行试验的方法模拟出飞行器飞行过程中的尾流，通过在试验中记录所需物理量，从而得到人们关心的数据，为计算设计各种飞行器，提供直接的理论数据，试验测量法在飞行器的设计与研制过程中起着非常重要的作用，可以说，试验是航空航天科技发展的基础，但是由于现代航空航天技术的飞快发展，对飞行器研制的经费、周期等的要求也越来越苛刻，如此说来，试验测量法已不再是设计飞行器的唯一方法，当然，试验测量法在设计飞行器中仍然具有十分重要的作用和重大的意义。

数值模拟法是建立在计算机和计算流体力学(CFD)的发展基础之上，为了满足飞行器设计快、好、省、多的要求而逐渐被人们所接收并采纳的一种设计和研究的方法，数值模拟的方法不仅能提供多种设计研究方案供设计者选择，还能快速提供设计者想要得到的数据结果，在羽流问题的研究上，由于羽流问题的复杂多样，用实物试验无法模拟所有情形，而数值模拟法则能克服并解决这一难题，为设计者提供所需的各种情形下的羽流流场参数，同时可以得到一些用实物试验无法模拟计算得到的数据，这都是实物试验法无法比拟的，除此之外，数值模拟的方法还能节省大量的人力、物力和财力，意义重大。

为使计算简单且很快得到羽流流场参数，可采用通过计算机进行的数值模拟的方法，即计算流体力学CFD方法，该方法分析流体流动和传热等物理现象。通过CFD技术，可利用计算机分析并显示流场中的现象，从而在较短时间内预测流场。CFD模拟能帮助理解流体力学问题，为实验提供指导，为设计提供参考，从而节省人力、物力和时间。然而，传统的假定火箭喷管出口参数已知，直接进行羽流流场参量计算的建模仿真，计算效率低、可靠性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种火箭羽流仿真方法，该方法基于火箭羽流流场的形成机理研究，根据燃烧理论、流体力学、气体动力学，考虑燃烧室内的燃烧化学反应建立的羽流流场计算的参数模型，能够客观描述羽流流场的主要特征，快速仿真获得特定条件下的流场数据，为火箭羽流红外特性的计算提供输入参数，提高羽流的计算精度、节省羽流的仿真时间。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种火箭羽流仿真方法，从火箭推力室开始研究，分析火箭羽流流场的形成过程，考虑燃烧室内的燃烧化学反应，根据燃烧理论、流体力学、气体动力学，得到了羽流流场的参数计算公式。具体包括如下内容：

一、利用Gambit软件生成分离比例为0.1-0.5的非结构化网格，并设置如下四种边界条件：入口边设为速度入口边界；出口设为压力输出边界；下边设为对称边界条件；上边设为壁面边界条件。

二、将网格导入到Fluent中，利用Fluent软件求解羽流流场物理模型，主要包括湍流模型、离散相模型和燃烧模型。

三、在Fluent中根据模型需要或实际情况设置边界条件和迭代初始值，模拟仿真获得流场数据。

本发明中在Fluent中进行了2000次以上的迭代仿真运算得到了迭代残差小于1e-5的计算结果，计算得到火箭羽流流场的速度场、温度场、压力场。计算获得的速度场、压力场均符合实际情况，以温度场为例进行计算精度分析，得到温度场仿真结果误差为2％，并且得到了连续的易于观察的场数据分布。与传统的假定火箭喷管出口参数已知，直接进行羽流流场参量计算的建模仿真方法比较，在一定程度上提高了计算效率、精度和可靠性。总之，该方法为火箭羽流流场计算研究提供了一种新思路，可作为工程计算的一种有效模型和算法。

本发明有如下优点：

1、能够快速仿真获得特定条件下的流场数据，提高了计算效率。

2、能够获得连续的易于观察的场数据分布，比起以往成果中的离散数据，本发明得到更加直观、可靠的流场数据。