[發(fā)明專利]一種用于冷凍靶系統(tǒng)中的燃料冰層界面追蹤模擬方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110384783.8
• 申請(qǐng)日: 2021-04-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113158520B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 厲彥忠;郭富城;李翠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F17/13;G06F119/08
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種用于冷凍靶系統(tǒng)中的燃料冰層界面追蹤模擬方法，其特征在于，包括下述步驟：

(1)設(shè)定燃料冰層的初始形貌，靶丸外表面溫度分布，以及燃料氣體的密度參數(shù)；

(2)計(jì)算t_m時(shí)刻歐拉坐標(biāo)系網(wǎng)格內(nèi)燃料冰層實(shí)際體體積占比β：

假定單個(gè)歐拉網(wǎng)格內(nèi)燃料冰層輪廓質(zhì)點(diǎn)的排列近似為直線，則β表示為：

其中Δx、Δy和Δz分別為x、y和z方向的網(wǎng)格尺寸，靶丸中心點(diǎn)位置為歐拉網(wǎng)格中心點(diǎn)的位置坐標(biāo)為為單個(gè)歐拉網(wǎng)格內(nèi)的所有燃料冰層輪廓質(zhì)點(diǎn)平均位置矢量；

(3)通過(guò)燃料氣體的密度，求得其對(duì)應(yīng)的飽和狀態(tài)溫度，并加載至燃料冰層內(nèi)表面邊界；

(4)計(jì)算t_m時(shí)刻歐拉坐標(biāo)系下溫度場(chǎng)分布：

在每個(gè)時(shí)刻都認(rèn)為燃料冰層界面溫度均勻，其值等于在該時(shí)刻下燃料氣體密度對(duì)應(yīng)的相變飽和溫度；同時(shí)，將燃料氣體當(dāng)做固體進(jìn)行等價(jià)處理，在歐拉坐標(biāo)下，僅需求解固體域的溫度場(chǎng)，所采用的控制方程為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程：

其中T為溫度，t為時(shí)間，α_eff為等效熱擴(kuò)散系數(shù)，其表達(dá)式如下：

其中k為導(dǎo)熱系數(shù)，ρ為密度，c_p為定壓熱容；

(5)根據(jù)溫度場(chǎng)分布及Stefan方程，計(jì)算歐拉坐標(biāo)系下t_m時(shí)刻燃料冰層界面法向位移速度：

燃料冰層界面法向移動(dòng)速度的求解基于Stefan方程，其形式為：

其中v為法向移動(dòng)速度，ΔH為潛熱，下標(biāo)ice表示燃料固體，gas表示燃料氣體；

(6)通過(guò)高斯核函數(shù)估計(jì)，計(jì)算拉格朗日坐標(biāo)系下t_m時(shí)刻不同燃料冰層輪廓質(zhì)點(diǎn)的法向位移速度：

根據(jù)各燃料冰層輪廓質(zhì)點(diǎn)在歐拉網(wǎng)格內(nèi)的分布情況，通過(guò)核函數(shù)估計(jì)法來(lái)確定各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的速度，核函數(shù)為高斯函數(shù)，其形式為：

其中b取為網(wǎng)格的平均尺寸，即b＝(Δx+Δy+Δz)/3，Δx、Δy和Δz分別為x、y和z方向的網(wǎng)格尺寸；

若t_m時(shí)刻第s個(gè)燃料冰層輪廓質(zhì)點(diǎn)的位置坐標(biāo)為歐拉網(wǎng)格中心點(diǎn)的位置坐標(biāo)為該歐拉網(wǎng)格計(jì)算得到的燃料冰層輪廓法向移動(dòng)速度為v_i,j,k，那t_m時(shí)刻該輪廓質(zhì)點(diǎn)的法向移動(dòng)速度為：

(7)計(jì)算t_m+1時(shí)刻燃料冰層輪廓質(zhì)點(diǎn)的位置矢量：

燃料冰層輪廓質(zhì)點(diǎn)在t_m時(shí)刻的法向移動(dòng)速度確定之后，它在t_m+1時(shí)刻的位置矢量為：

(8)根據(jù)t_m+1時(shí)刻燃料冰層輪廓質(zhì)點(diǎn)的位置矢量，計(jì)算t_m+1時(shí)刻燃料冰層質(zhì)量，從而求得t_m+1時(shí)刻燃料氣體密度；同時(shí)，通過(guò)高斯核函數(shù)估計(jì)，計(jì)算歐拉坐標(biāo)系網(wǎng)格內(nèi)燃料冰層實(shí)際體體積占比β；

燃料氣體的密度通過(guò)燃料冰層的體積變化來(lái)間接求得，記燃料冰層輪廓質(zhì)點(diǎn)總個(gè)數(shù)為N，靶丸內(nèi)表面半徑為R，靶丸中心點(diǎn)位置為則t_m時(shí)刻燃料冰層的質(zhì)量為：

記初始時(shí)刻燃料冰層和燃料氣體的質(zhì)量為m_ice(0)和m_gas(0)，則t_m時(shí)刻燃料氣體密度為：

(9)返回步驟(2)，進(jìn)行下一個(gè)時(shí)刻的計(jì)算，直至燃料冰層形貌基本不變或者計(jì)算至指定時(shí)刻，結(jié)束計(jì)算；得到不同邊界載荷下冷凍靶系統(tǒng)中燃料靶丸內(nèi)固態(tài)燃料冰層的輪廓分布，實(shí)現(xiàn)冰層均勻性點(diǎn)火的低模粗糙度＜0.5μm，冰層厚度±3μm以及氣體密度的要求。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于冷凍靶系統(tǒng)中的燃料冰層界面追蹤模擬方法，其特征在于：所述的步驟(1)中靶丸外表面溫度分布為南北兩極高，赤道溫度低的分布趨勢(shì)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于冷凍靶系統(tǒng)中的燃料冰層界面追蹤模擬方法，其特征在于：所述的步驟(1)中燃料冰層的初始形貌是通過(guò)拉格朗日坐標(biāo)系的燃料冰層輪廓質(zhì)點(diǎn)刻畫的。