[發明專利]一種火箭羽流仿真方法

有效

• 申請號: 201410299944.3
• 申請日: 2014-06-28
• 公開（公告）號: CN104050334B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: 秦蘭琦;張旺;汪洪源;王玉雷;汪東生;劉振奇;張愛紅;范志剛
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于目標特性與識別技術領域，涉及一種火箭羽流仿真模型。

背景技術

火箭羽流流場的計算是為羽流的紅外輻射場的計算提供基礎數據。羽流流場的計算主要包括速度場、溫度場、壓力場的計算。尾流問題的研究方法多種多樣，大致可分為如下三種：半經驗和分析法、試驗測量法以及數值模擬法。半經驗和分析法主要是應用于比較簡單的幾何模型，在物理過程不太復雜、流動可視為線性的情況下，利用簡化之后得到的半經驗半理論公式或分析解，研究流動的問題，為飛行器的設計提供理論依據，但是隨著人們對飛行器的性能要求越來越高，所需要研究的尾流流場問題就會越來越復雜，同時飛行器尾部的幾何形狀也更加復雜，流動模型也大多數是湍流的，如此半經驗和分析法不能滿足設計當今飛行器的要求。

試驗測量法是利用實物模型飛行試驗的方法模擬出飛行器飛行過程中的尾流，通過在試驗中記錄所需物理量，從而得到人們關心的數據，為計算設計各種飛行器，提供直接的理論數據，試驗測量法在飛行器的設計與研制過程中起著非常重要的作用，可以說，試驗是航空航天科技發展的基礎，但是由于現代航空航天技術的飛快發展，對飛行器研制的經費、周期等的要求也越來越苛刻，如此說來，試驗測量法已不再是設計飛行器的唯一方法，當然，試驗測量法在設計飛行器中仍然具有十分重要的作用和重大的意義。

數值模擬法是建立在計算機和計算流體力學(CFD)的發展基礎之上，為了滿足飛行器設計快、好、省、多的要求而逐漸被人們所接收并采納的一種設計和研究的方法，數值模擬的方法不僅能提供多種設計研究方案供設計者選擇，還能快速提供設計者想要得到的數據結果，在羽流問題的研究上，由于羽流問題的復雜多樣，用實物試驗無法模擬所有情形，而數值模擬法則能克服并解決這一難題，為設計者提供所需的各種情形下的羽流流場參數，同時可以得到一些用實物試驗無法模擬計算得到的數據，這都是實物試驗法無法比擬的，除此之外，數值模擬的方法還能節省大量的人力、物力和財力，意義重大。

為使計算簡單且很快得到羽流流場參數，可采用通過計算機進行的數值模擬的方法，即計算流體力學CFD方法，該方法分析流體流動和傳熱等物理現象。通過CFD技術，可利用計算機分析并顯示流場中的現象，從而在較短時間內預測流場。CFD模擬能幫助理解流體力學問題，為實驗提供指導，為設計提供參考，從而節省人力、物力和時間。然而，傳統的假定火箭噴管出口參數已知，直接進行羽流流場參量計算的建模仿真，計算效率低、可靠性差。

發明內容

本發明的目的是提供一種火箭羽流仿真方法，該方法基于火箭羽流流場的形成機理研究，根據燃燒理論、流體力學、氣體動力學，考慮燃燒室內的燃燒化學反應建立的羽流流場計算的參數模型，能夠客觀描述羽流流場的主要特征，快速仿真獲得特定條件下的流場數據，為火箭羽流紅外特性的計算提供輸入參數，提高羽流的計算精度、節省羽流的仿真時間。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種火箭羽流仿真方法，從火箭推力室開始研究，分析火箭羽流流場的形成過程，考慮燃燒室內的燃燒化學反應，根據燃燒理論、流體力學、氣體動力學，得到了羽流流場的參數計算公式。具體包括如下內容：

一、利用Gambit軟件生成分離比例為0.1-0.5的非結構化網格，并設置如下四種邊界條件：入口邊設為速度入口邊界；出口設為壓力輸出邊界；下邊設為對稱邊界條件；上邊設為壁面邊界條件。

二、將網格導入到Fluent中，利用Fluent軟件求解羽流流場物理模型，主要包括湍流模型、離散相模型和燃燒模型。

三、在Fluent中根據模型需要或實際情況設置邊界條件和迭代初始值，模擬仿真獲得流場數據。

本發明中在Fluent中進行了2000次以上的迭代仿真運算得到了迭代殘差小于1e-5的計算結果，計算得到火箭羽流流場的速度場、溫度場、壓力場。計算獲得的速度場、壓力場均符合實際情況，以溫度場為例進行計算精度分析，得到溫度場仿真結果誤差為2％，并且得到了連續的易于觀察的場數據分布。與傳統的假定火箭噴管出口參數已知，直接進行羽流流場參量計算的建模仿真方法比較，在一定程度上提高了計算效率、精度和可靠性。總之，該方法為火箭羽流流場計算研究提供了一種新思路，可作為工程計算的一種有效模型和算法。

本發明有如下優點：

1、能夠快速仿真獲得特定條件下的流場數據，提高了計算效率。

2、能夠獲得連續的易于觀察的場數據分布，比起以往成果中的離散數據，本發明得到更加直觀、可靠的流場數據。