[發(fā)明專利]一種固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)數(shù)值仿真方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910005280.8
• 申請(qǐng)日: 2019-01-03
• 公開（公告）號(hào): CN109657401B
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賴謀榮;劉杰;何勇攀;李海波;閆紅建;梁霄
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京動(dòng)力機(jī)械研究所
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F111/10;G06F119/08
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 仇蕾安;楊志兵

本發(fā)明公開了一種固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)數(shù)值仿真方法，該方法的具體步驟為：首先進(jìn)行燃?xì)鉄崃W(xué)計(jì)算，得到富燃燃?xì)獬煞旨案鞒煞值馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)；然后建立湍流模型，計(jì)算得到湍流應(yīng)力項(xiàng)；其次建立富燃燃?xì)飧鞒煞仲|(zhì)量源項(xiàng)、氧化物質(zhì)量源項(xiàng)和化學(xué)反應(yīng)能量源項(xiàng)；然后建立氣相燃燒模型，計(jì)算得到氣相化學(xué)反應(yīng)速率；最后將上述求解的數(shù)值均代入氣相控制方程組，如果氣相控制方程組收斂，則判定所有流場(chǎng)參數(shù)為最終結(jié)果，如果該氣相控制方程組不收斂，對(duì)所有初始參數(shù)加松弛因子重新進(jìn)行上述計(jì)算，直至該氣相控制方程組收斂。采用該方法有效提高固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)的仿真精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種燃燒流場(chǎng)仿真方法，具體涉及一種固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)數(shù)值仿真方法。

背景技術(shù)

數(shù)值仿真是固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流動(dòng)研究的重要手段，固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流動(dòng)仿真十分復(fù)雜，主燃室內(nèi)固體燃料(即推進(jìn)劑)分解產(chǎn)生富燃燃?xì)猓蝗既細(xì)馀c流經(jīng)主燃室的空氣流進(jìn)行燃燒化學(xué)反應(yīng)，推進(jìn)劑燃面附近氣流的速度、密度、溫度等參數(shù)會(huì)影響燃面溫度進(jìn)而影響燃?xì)獾纳桑瑯尤細(xì)馍珊笈c空氣反應(yīng)反過來又會(huì)影響氣流的參數(shù)，由于熱分解的吸熱和主流的熱耗散，溫度最終會(huì)達(dá)到平衡。

對(duì)于固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)仿真，難點(diǎn)主要在于模擬推進(jìn)劑燃面的質(zhì)量源項(xiàng)和能量源項(xiàng)，由于所有源項(xiàng)的大小都與主流氣體有關(guān)，因此燃面上每一點(diǎn)的源項(xiàng)都是不同的，需要單獨(dú)計(jì)算。

現(xiàn)有的固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)仿真方法見表1，其采用的模型包括基本方程、湍流模型、推進(jìn)劑分解模型和氣相燃燒模型；其中基本方程為雷諾平均N-S方程、湍流模型為帶旋流修正的RNG^k-ε模型、氣相燃燒模型采用渦團(tuán)耗散模型、推進(jìn)劑分解模型基于Arrhenius定律，富燃燃?xì)獬煞植捎脝我怀煞郑瑹o能量源項(xiàng)。

表1現(xiàn)有仿真方法簡(jiǎn)表

其存在的問題為：首先，富燃燃?xì)獾某煞謴?fù)雜，僅用一種成分不僅沒有依據(jù)，并且也會(huì)和實(shí)際的情況差別較大，造成模擬的誤差偏大。其次，固體推進(jìn)劑的分解是要帶走一些熱量的，如果不考慮此部分能量損耗，會(huì)造成質(zhì)量源項(xiàng)的數(shù)量不準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供一種固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒數(shù)值仿真方法，能夠有效提高固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)的仿真精度。

所述的固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)數(shù)值仿真方法，在對(duì)固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真時(shí)，加入推進(jìn)劑燃面的質(zhì)量源項(xiàng)和能量源項(xiàng)；所述推進(jìn)劑燃面的質(zhì)量源項(xiàng)包括富燃燃?xì)飧鞒煞值馁|(zhì)量源項(xiàng)和氧化物質(zhì)量源項(xiàng)；

推進(jìn)劑燃面的質(zhì)量源項(xiàng)為：

富燃燃?xì)飧鞒煞值馁|(zhì)量源項(xiàng)為：推進(jìn)劑燃面的質(zhì)量源項(xiàng)乘以富燃燃?xì)飧鞒煞值馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)；氧化物質(zhì)量源項(xiàng)為：推進(jìn)劑燃面的質(zhì)量源項(xiàng)乘以單位質(zhì)量推進(jìn)劑消耗的氧化物質(zhì)量，氧化物質(zhì)量源項(xiàng)為負(fù)；

推進(jìn)劑燃面的能量源項(xiàng)為

其中：A、E_a分別指前因子和活化能；R為通用氣體常數(shù)，T_w為推進(jìn)劑燃面的識(shí)別溫度；A_C為推進(jìn)劑燃面的面積；ρ_f為推進(jìn)劑密度，h_v為推進(jìn)劑分解或氣化潛熱，為推進(jìn)劑燃速，c_f為推進(jìn)劑比熱，T₀為燃推進(jìn)劑燃面的初始溫度。

其步驟為：

步驟一：對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行燃燒熱力學(xué)計(jì)算，得到所形成的富燃燃?xì)獾某煞旨案鞒煞值馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)、富燃燃?xì)獾臏囟龋?/p>

步驟二：建立湍流模型，計(jì)算燃燒流場(chǎng)的湍流應(yīng)力；

步驟三：建立推進(jìn)劑燃面富燃燃?xì)飧鞒煞值馁|(zhì)量源項(xiàng)、氧化物質(zhì)量源項(xiàng)和推進(jìn)劑燃面的能量源項(xiàng)能量源項(xiàng)；