[发明专利]关于多喷管火箭流场及对流/辐射耦合换热的仿真方法

说明书

本发明提出了一种关于多喷管火箭流场及对流/辐射耦合换热的仿真方法，首先建立多喷管火箭三维模型；其次利用多重分块结构化网格方法对三维模型进行网格划分；再次建立多喷管火箭羽流流场以及对流换热的数学模型：对N‑S多组分方程进行AUSM+格式离散，积分‑微分得到模型边界处的无粘通量；然后打开改良后辐射模型DOM，得到模型辐射吸收系数：利用DOM模型对辐射传热的积分‑微分基本方程离散；得到各点的辐射强度值；最后用RNG k‑ε湍流模型进行求解，输出马赫数、温度、压力流场及对流/耦合热流云图；本发明方法能够在提高计算精度的同时降低计算成本，计算结果能为火箭底部热防护提供指导意义。

技术领域

本发明属于超声速飞行器数值仿真领域，特别是一种关于多喷管火箭流场及对流/ 辐射耦合换热的仿真方法。

背景技术

火箭发动机工作时，推进剂的燃烧产物经发动机喷管喷出形成高温高速燃气射流， 会对发射管壁和箭体产生干扰，从而影响火箭发射系统的稳定性和安全性。而目前我国 下一代大推力将采用多喷管的捆绑式运载火箭。捆绑式运载火箭的芯级发动机和助推器 发动机同时工作时，多台发动机的喷流相互交叉，同时存在外部扰流的干扰，在火箭底部区域形成复杂流场，加剧了对火箭底部区域的加热效应。燃气射流诱导下的吸力和壁 面射流相互碰撞形成反射，形成回流对流加热。高温燃气中CO₂、H₂O等气体微粒，特 别是Al₂O₃等高温固体颗粒，会对火箭底部产生辐射加热作用。除此之外，高温燃气流 过喷管，会使喷管壁温度升高，高温的喷管壁也会对火箭底部有一定的辐射加热作用。 因此，对流加热和辐射加热的共同作用，将导致火箭底部温度较高，影响底部器件工作 性能。

底部热环境对底部设备的安全性至关重要，热防护材料既要满足高温环境要求，又 要尽可能减少结构重量和成本。火箭底部热环境的地面试验实施困难、成本巨大，随着计算流体力学的不断发展，以及计算机性能的不断提高，数值模拟已经成为研究流场的 一种有效手段。Negishi H,Yamanishi N,Arita M,et al.Numerical Analysis of PlumeHeating Environment for H-IIA Launch Vehicle During Powered Ascent[C]//Aiaa/asme/sae/ asee Joint Propulsion ConferenceExhibit.2013.对日本四喷管火箭H-IIA采用P-1辐射模 型进行仿真，在利用30个CPU并行计算两个月的情况下，仿真结果与试验结果误差大 于10％，并且随着航天科技的发展，火箭载荷增大，体积增大，导致火箭整体流场计算 区域大，网格规模大，计算量增加，需要通过大规模并行计算求解，这时就迫切需要一种高精度，低计算成本的数值仿真方法模拟多喷管火箭流场及对流/耦合换热的过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多喷管火箭流场及对流/辐射耦合换热的仿真方法，以 解决多喷管火箭喷流相互干扰难以计算的问题。

实现本发明目的的技术方案为：

一种关于多喷管火箭流场及对流/辐射耦合换热的仿真方法，包括以下步骤：

步骤1、建立多喷管火箭三维模型；

步骤2、利用多重分块结构化网格方法对三维模型进行网格划分；

步骤3、建立多喷管火箭羽流流场以及对流换热的数学模型：对N-S多组分方程进行AUSM+格式离散，积分-微分得到模型边界处的无粘通量；

步骤4、打开改良后辐射模型DOM，得到模型辐射吸收系数：利用DOM模型对辐 射传热的积分-微分基本方程离散；得到各点的辐射强度值；

步骤5、用RNG k-ε湍流模型进行求解，输出马赫数、温度、压力流场及对流/耦合热流云图。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：