[發(fā)明專利]一種基于FLUENT仿真的連續(xù)激光推力器工質(zhì)分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011621214.2
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112632709B
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發(fā)明（設計）人: 檀朝彬;展先彪;王正一;孟令坤;李凌霄;辛尚青;苗京蔚;周佳昊;李雨笑;楊文權;柏藍米;崔貝寧
• 申請（專利權）人: 北華航天工業(yè)學院
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/17;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 北京科億知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 李興林

1.一種基于FLUENT仿真的連續(xù)激光推力器工質(zhì)分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1，根據(jù)連續(xù)模式下等離子體核心區(qū)流場的特點，確定連續(xù)激光推進的定?？刂品匠探M；

S2，構建自定義函數(shù)UDF，用于FLUENT計算過程中的激光能量設置、動邊界設置和等離子參數(shù)調(diào)整；

S3，建立拋物線模型，利用Gambit軟件進行建模，選取網(wǎng)格類型劃分網(wǎng)格，設置邊界條件，輸出case文件；

S4，打開FLUENT軟件，將case文件導入到FLUENT軟件中；

S5，檢測網(wǎng)格，檢查劃分的網(wǎng)格是否正確并設定網(wǎng)格單位；

S6，F(xiàn)LUENT軟件導入自定義函數(shù)UDF；

S7，選擇正確的輻射模型、能量模型和湍流模型；

S8，連續(xù)激光加熱推力器模型的入口選用質(zhì)量流量入口邊界條件，氣體為氫氣或者氬氣，總溫為300K，外場區(qū)域出口平面設為壓力出口邊界，根據(jù)出口處氣體工質(zhì)的流動速度設置邊界條件；

S9，在FLUENT中，進行動網(wǎng)格計算，選中動網(wǎng)格計算模塊，并設置動網(wǎng)格總體計算參數(shù)及模式；

S10，選擇求解方法，確定求解精度；

S11，邊界初始化并設置迭代參數(shù)，利用FLUENT求解器進行計算；

S12，查看殘差圖，速度、壓力和溫度圖；

所述步驟S1中的連續(xù)激光推進的定?？刂品匠探M為：

其中，各矢量如下：

其中，熱流q為合并各內(nèi)能模式后總的熱傳導和擴散熱流：

式中E、F分別為柱坐標系下x,r方向上的對流通量，Ev、Fv分別為x,r方向上的粘通量，G、Gv分別為無粘部分和有粘部分由于采用柱坐標系產(chǎn)生的源項，W為物理化學過程造成的質(zhì)量和能量源項，q_x、q_r分別是總熱流和振動熱流，q_n為熱流q合并各內(nèi)能模式后總的熱傳導和擴散熱流，ρ、ρ_i分別為混合氣體總密度和組元i的密度，p、p_e分別為混合氣體的壓力和電子分壓，u、v分別為兩個坐標方向上的速度分量，D_i表示組元i的擴散系數(shù)，Q_abs是吸收的激光能量，Q_rad為輻射效應源項，H為單位質(zhì)量混合氣體的焓，τ為應力張量。

2.根據(jù)權利要求1所述的基于FLUENT仿真的連續(xù)激光推力器工質(zhì)分析方法，其特征在于，所述步驟S2中構建自定義函數(shù)UDF，用于FLUENT計算過程中的激光能量設置、動邊界設置和等離子參數(shù)調(diào)整，具體包括：

激光能量的注入：采用瞬時能量注入模型,等離子體電離完全且沒有能量損失，激光脈沖能量以一定的沉積效率被等離子體完全吸收，等離子體形狀為一球體，假設半徑為r，則得出公式：

其中，能量轉(zhuǎn)化效率為η＝40％；

動邊界計算：在FLUENT中要進行動邊界計算，需要選中動網(wǎng)格計算模塊，利用UDF中的DEFINE_CG_MOTION宏用來編寫實現(xiàn)功能；

等離子方程的實現(xiàn)：利用FLUENT中的通用求解宏DEFINE_ADJUST來修改流場物理量并進行計算積分，DEFINE_ADJUST主要是對整個流場進行積分，然后通過對計算結(jié)果進行分析來調(diào)整邊界，每一步的迭代或者每一次解輸運方程都需要調(diào)用該函數(shù)定義的宏。

3.根據(jù)權利要求1所述的基于FLUENT仿真的連續(xù)激光推力器工質(zhì)分析方法，其特征在于，所述步驟S5中網(wǎng)格單位為mm。

4.根據(jù)權利要求1所述的基于FLUENT仿真的連續(xù)激光推力器工質(zhì)分析方法，其特征在于，所述步驟S8中連續(xù)激光加熱推力器模型的入口選用質(zhì)量流量入口邊界條件，氣體為氫氣或者氬氣，總溫為300K，外場區(qū)域出口平面設為壓力出口邊界，根據(jù)出口處氣體工質(zhì)的流動速度設置邊界條件，具體包括：

當出口處氣體工質(zhì)的流動速度達到超音速時，邊界點的壓力及其他流動參數(shù)由流場內(nèi)部通過插值外推得到，當出口的氣體工質(zhì)流動速度為亞聲速時，邊界點的壓力等于出口反壓，其他流動參數(shù)由流場內(nèi)部通過插值外推得到，出口反壓為0.1MPa，噴管壁面采用絕熱固體壁面邊界。

5.根據(jù)權利要求1所述的基于FLUENT仿真的連續(xù)激光推力器工質(zhì)分析方法，其特征在于，所述步驟S9在FLUENT中進行動網(wǎng)格計算，選中動網(wǎng)格計算模塊，并設置動網(wǎng)格總體計算參數(shù)及模式，具體包括：

利用FLUENT提供的Dynamic?Mesh模塊，將推進器作為動邊界進行處理，計算中每個時間步計算結(jié)束時，調(diào)用UDF讀取流場信息，根據(jù)壁面承受的力計算出推進器獲得的速度；

當選中動網(wǎng)格計算及輸入邊界運動文件后，需要所要求的運動邊界類型和運動邊界與運動邊界條件相對應，因此通過Setup—Dynamic?Mesh—Create/Edit---Dynamic?Mesh命令選中動網(wǎng)格區(qū)域；

對于剛性運動邊界，選中Rigid?Body選項，需要說明運動屬性和網(wǎng)格選項；

對于變形邊界，選中Deforming選項，需要說明幾何定義和網(wǎng)格選項。