[发明专利]固体推进剂羽流特性虚拟试验及羽流数据结构网格化方法

摘要

本发明公开了一种固体推进剂羽流特性虚拟试验及羽流数据结构网格化方法，包括步骤：一、初始参数设定与存储；二、能量特性参数计算；三、发动机羽流场计算；四、气相产物羽流场数据结构网格化处理，过程如下：喷流区域气相产物流场数据读取、构建结构网格图和气相产物羽流场数据结构网格化处理；五、凝聚相产物羽流场数据结构网格化处理，过程如下：初始参数设定、粒子轨迹数据读取、喷管入口处网格数量获取及各网格上下边界确定和凝聚相产物羽流场数据结构网格化处理。本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能简便、快速完成羽流特性虚拟试验并能将基于非结构网格的流场数据转换成基于结构网格的对应数据以便后续计算使用。

主权项

一种固体推进剂羽流特性虚拟试验及羽流数据结构网格化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、初始参数设定与存储：首先，通过与数据处理器相接的参数输入单元，输入配制所设计固体推进剂所用的组分数量N和各组分的组分信息，并将所输入的信息同步存储至与所述数据处理器相接的数据存储单元内；其中，各组分的组分信息均包括化学式和质量配比mi，i为正整数，且i=1，2，…，N；其中，N为配制所设计固体推进剂所用组分的数量，0＜mi＜100，m1+m2+…+mN=100，N≥2；之后，通过所述参数输入单元自预先建立的燃烧产物数据库中，选出所设计固体推进剂燃烧后所产生的所有燃烧产物；所述燃烧产物数据库中存储有多种燃烧产物的属性信息；其中，各燃烧产物的属性信息均包括化学式、相对分子质量和相态，其中相态为气相或凝聚相；同时，通过所述参数输入单元对所设计固体推进剂燃烧后所产生燃烧产物的数量m和凝聚相产物的数量Q进行设定，且所设计固体推进剂燃烧后所产生的燃烧产物中包括Q个凝聚相产物和（m‑Q）个气相产物，其中m和Q均为正整数，且Q≥1；当Q=1时，所设计固体推进剂燃烧后所产生燃烧产物中的凝聚相产物为Al2O3颗粒；步骤二、能量特性参数计算，其计算过程如下：步骤201、建模：根据最小自由能原理，建立最小自由能数学模型和燃烧室温度计算模型；步骤202、平衡组成计算：所述数据处理器调用步骤201中所建立的最小自由能数学模型，并结合步骤一中所设定的初始参数，计算得出所设计固体推进剂燃烧后的燃烧产物平衡组成，且计算得出的燃烧产物平衡组成包括所设计固体推进剂燃烧后所产生的m个燃烧产物的平衡组分；步骤203、绝热燃烧温度计算：所述数据处理器调用步骤201中所建 立的燃烧室温度计算模型，计算得出所设计固体推进剂燃烧后处于化学平衡状态时的绝热燃烧温度；步骤三、羽流场计算，其计算过程如下：步骤301、喷管几何参数与喷流计算域范围设定：通过所述参数输入单元对发动机喷管的几何参数和喷流计算域范围进行设定；其中，发动机喷管的几何参数包括入口半径r1、喉部半径r2、出口半径r3、收敛段长度d1、喉部圆柱段长度d2、扩张角α和扩张段长度d3，其中入口半径r1为发动机喷管的入口半径，喉部半径r2为发动机喷管的喉部半径，出口半径r3为发动机喷管的出口半径，收敛段长度d1为发动机喷管入口到喷管喉部前端的长度，喉部圆柱段长度d2为发动机喷管的喉部长度，扩张角α为发动机喷管扩张段的壁面与其轴线之间的夹角，且扩张段长度d3为发动机喷管喉部末端到喷管出口的长度；喷流计算域范围包括喷流轴向长度xm和喷流径向长度ym，其中喷流轴向长度xm为发动机喷管出口到喷流下游出口的长度d4，喷流径向长度ym为发动机喷管轴线到喷流径向外边界的长度；步骤302、燃烧室工作参数设定：首先，通过所述参数输入单元对发动机的燃烧室内压强Pc、环境压力和环境温度T环分别进行设定；之后，再对燃烧产物平衡组成进行设定；然后，通过所述参数输入单元对所设计固体推进剂燃烧后所产生Al2O3颗粒的平均粒径Dn进行设定；对燃烧产物平衡组成进行设定时，所设定的燃烧产物平衡组成中包括所设计固体推进剂燃烧后所产生的（m‑Q）个气相产物的平衡组分和Al2O3颗粒的平衡组分；所设定的（m‑Q）个气相产物的平衡组分分别为步骤202中计算得出的所设计固体推进剂燃烧后所产生（m‑Q）个气相产物的平衡组分；当步骤一中Q=1时，所设定的Al2O3颗粒的平衡组分为步骤202中计算得出的所设计固体推进剂燃烧后所产生Al2O3颗粒的平衡组分；当步骤一中Q＞1时，所设定的Al2O3颗粒的平衡组分为步骤202中计算得出的所设计固体推进剂燃烧后所产生Q个凝聚相产物的平衡组分之和n凝聚相；步骤303、发动机羽流场计算：首先，根据步骤301中所设定的喷管 几何参数与喷流计算域范围，采用所述数据处理器建立对所述发动机喷管的内外羽流场进行数值计算的二维轴对称模型；之后，所述数据处理器调用CFD前处理器，生成所设计固体推进剂的羽流场计算域网格图，且所述CFD前处理器为GAMBIT软件；然后，所述数据处理器调用FULENT软件，并结合步骤二中计算得出的能量特性参数、步骤301中所设定的喷管几何参数与喷流计算域范围和步骤302中所设定的燃烧室工作参数，对所设计固体推进剂进行羽流场计算，并自动输出羽流场计算结果；其中，所输出的羽流场计算结果中包括气相产物羽流场计算结果和凝聚相产物羽流场计算结果；步骤四、气相产物羽流场数据结构网格化处理，其处理过程如下：步骤401、喷流区域气相产物流场数据读取：采用所述数据处理器从步骤303中所输出的气相产物羽流场计算结果中读取所设计固体推进剂的喷流区域中所有非结构网格节点的流场数据；所述喷流区域为所述发动机喷管出口后方的矩形区域；步骤402、轴向坐标轴上非结构网格点提取：采用所述数据处理器从步骤401中所述喷流区域中的所有非结构网格节点中提取位于轴向坐标轴上的所有非结构网格点，所提取的位于轴向坐标轴上的非结构网格点总数量为NX；其中，轴向坐标轴为所述发动机喷管的中心轴线所在的横坐标轴，本步骤中所提取的位于轴向坐标轴上的非结构网格点的径向坐标yh=0且其轴向坐标xh≥0，其中h为正整数，且h=1，2，…，NX；步骤403、径向坐标轴上非结构网格点提取：采用所述数据处理器从步骤401中所述喷流区域中的所有非结构网格节点中提取位于径向坐标轴上的所有非结构网格点，本步骤中所提取的位于径向坐标轴上的非结构网格点总数量为NY出；其中，径向坐标轴为所述发动机喷管出口处所在的纵坐标轴且发动机喷管出口处的轴向坐标值为0，位于径向坐标轴上的非结构网格点的轴向坐标xk1=0且其径向坐标yk1≥0，其中k1为正整数，且k1=1，2，…，NY出；步骤404、构建结构网格图：将NX条直线x=xh和NY出条直线y=yk1正交后，构建出一个包含（NX－1）×（NY出－1）个矩形网格的结构网格图；步骤405、气相产物羽流场数据结构网格化处理：采用所述数据处理器对步骤404中所构建结构网格图中各矩形网格的四个顶点的气相产物流场数据分别进行重新赋值；所有矩形网格中各顶点的气相产物流场数据重新赋值方法均相同，其中对于所构建结构网格图中任一个矩形网格的任一顶点的气相产物流场数据进行重新赋值时，所述数据处理器先自步骤401中所述喷流区域中的所有非结构网格节点中找出与当前被赋值顶点距离最近的非结构网格节点，并将所找出的非结构网格节点的气相产物流场数据赋给当前被赋值的顶点；步骤五、凝聚相产物羽流场数据结构网格化处理：所述数据处理器利用步骤404中所构建的结构网格图对M个不同粒径粒子的粒子轨迹数据分别进行结构网格化处理，过程如下：步骤501、结构网格化处理初始参数设定：采用所述参数输入单元对M的取值和M个不同粒径粒子的粒径Dnr分别进行设定；其中，r为正整数，且r=1,2，…，M；步骤502、粒子轨迹数据读取：采用所述数据处理器从步骤303中所输出的凝聚相产物羽流场计算结果中读取所设计固体推进剂的所有粒子轨迹数据；其中，所读取的凝聚相产物羽流场计算结果包括粒子质量文件、粒子温度随轨迹变化的文件、粒子直径随轨迹变化的文件和粒子轨迹的时间步长文件；步骤503、发动机喷管入口矩形网格数量获取及各喷管入口矩形网格的上下边界确定：首先，采用所述数据处理器从步骤303中所输出的气相产物羽流场计算结果中读取所设计固体推进剂的发动机喷管区域中所有非结构网格节点的流场数据；之后，采用所述数据处理器从所读取的发动机喷管区域中的所有非结构网格节点中提取位于直线x=‑Δd上的所有非结构网格节点，且所提取的位于直线x=‑Δd上的非结构网格点总数量为 NY入；其中，位于直线x=‑Δd上的非结构网格节点的轴向坐标xk2=‑Δd且其径向坐标yk2≥0，其中k2为正整数，且k2=1，2，…，NY入；Δd=d1＋d2＋d3；所获取的喷管入口矩形网格数量为（NY入‑1）个，各喷管入口矩形网格的上下边界分别为上下相邻的两条直线y=yk2；步骤504、凝聚相产物羽流场数据结构网格化处理：采用数据处理器并以步骤503中所述的（NY入‑1）个喷管入口矩形网格分别作为起始网格进行粒子轨迹结构网格化处理，每个喷管入口矩形网格作为起始网格进行粒子轨迹结构网格化处理的过程均相同；并且，以任一个喷管入口矩形网格作为起始网格进行粒子轨迹结构网格化处理时，均对以当前所处理喷管入口矩形网格作为起始网格的M个不同粒径粒子轨迹分别进行结构网格化处理，且M个不同粒径粒子轨迹的结构网格化处理方法均相同；其中，对M个不同粒径粒子轨迹中的任一条粒子轨迹进行结构网格化处理时，均分别计算出当前所处理粒子轨迹在所述结构网格图中途经的所有矩形网格内的粒子轨迹网格化数据，且每个矩形网格内的粒子轨迹网格化数据均包括粒子质量、粒子数密度、粒子平均直径和粒子平均温度。