[发明专利]一种大面积比喷管侧向载荷预测方法、装置及介质

说明书

一种大面积比喷管侧向载荷预测方法，包括如下步骤：步骤一、建立喷管模型，对喷管模型划分网格；确定燃烧气体参数；步骤二、预设喷管内流场的初始条件和喷管的边界条件；步骤三、对离散后的完全NS方程组进行定常计算，获得流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值；步骤四、将喷管壁面压力分布值与试验测试获得的喷管壁面压力分布值进行比较获得比较结果，当比较结果大于预设值时，转入步骤五，否则转入步骤六；步骤五、调整燃烧气体参数，然后转入步骤二；步骤六、将喷管的实际压力作为喷管的出口压力，对离散后的完全NS方程组进行非定常计算，获得喷管壁面实际压力分布值即可对喷管的侧向载荷进行预测。

技术领域

本发明涉及一种大面积比喷管侧向载荷预测方法、装置及介质，属于大推力火箭发动机推进技术领域。

背景技术

随着航天推进技术的快速发展，现代火箭发动机愈来愈多采用大面积喷管以获得高推进效率和大比冲来提高整个火箭工作性能。然而，火箭发动机喷管的工作环境会跨越很宽的高度范围，为了在整个飞行过程中获得可接受的性能，喷管都是按中间环境压力设计的，而大部分情况下，大面积比喷管工作在非设计条件下，当背压高于设计值一定程度时，喷管会处于严重的过膨胀状态，由于过膨胀状态而引发的喷管内复杂激波演化过程会形成多种形式的流动分离现象，由此可能带来严重的侧向载荷问题，从而导致喷管的结构破坏。美国的J-2发动机、航天飞机主发动机、俄罗斯的RD-0120发动机、欧洲的火神发动机和日本的LE-7A等发动机的研制过程中,均遇到了比较严重的喷管侧向载荷问题。

近几十年来国外开展了大量的理论、实验及数值研究工作以解释喷管过膨胀状态下侧向载荷产生的物理机制及相关因素对侧向载荷幅值的影响，并取得了很多重要的进展。然而，由于喷管侧向载荷产生的物理机制十分复杂，对很多因素也十分敏感，到目前仍然没有明确的定论。目前,工业上一般靠大量试验以及保守设计来解决此问题，一定程度上造成了研制经费的浪费及喷管性能的牺牲。如何通过从理论上认识侧向载荷的形成机理并做到准确预测,最终指导喷管设计一直是国际上的研究热点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大面积比喷管侧向载荷预测方法、装置及介质，通过数值方法来模拟大面积比喷管过膨胀状态下的流动瞬态特性，并形成对喷管侧向载荷的预测方法，提高大面积比喷管的设计能力。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种大面积比喷管侧向载荷预测方法，包括如下步骤：

步骤一、建立喷管模型，对喷管模型划分网格；确定燃烧气体参数；

步骤二、预设喷管内流场的初始条件和喷管的边界条件；

步骤三、采用Roe格式对喷管内流场的完全NS方程组进行离散；然后对离散后的完全NS方程组进行定常计算，获得流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值；所述流场压力分布值包括喷管壁面压力分布值；

步骤四、将步骤三中所述的喷管壁面压力分布值与试验测试获得的喷管壁面压力分布值进行比较获得比较结果，当比较结果大于预设值时，转入步骤五，否则转入步骤六；

步骤五、调整燃烧气体参数，然后转入步骤二；

步骤六、将喷管的实际压力作为喷管的出口压力，将步骤三中所述的流场密度分布值、流场压力分布值和流场温度分布值作为喷管内流场的初值，对离散后的完全NS方程组进行非定常计算，获得喷管壁面实际压力分布值即可对喷管的侧向载荷进行预测。

上述大面积比喷管侧向载荷预测方法，步骤一采用结构网格对喷管模型进行网格划分。

上述大面积比喷管侧向载荷预测方法，根据燃料和氧化剂的混合比确定步骤一中所述的燃烧气体参数。

上述大面积比喷管侧向载荷预测方法，所述完全NS方程组的湍流模型使用一方程SA模型。