[发明专利]模拟连续旋转爆震发动机尾流的数值仿真方法

权利要求书

1.一种模拟连续旋转爆震发动机尾流的数值仿真方法，其特征在于：

1)建立发动机或者装配有发动机的火箭、导弹的几何简化外形；

2)确立远流场边界位置，生成从步骤1)中的几何外形到远场边界的计算网格，同时在物面附近生成用于粘性计算的附面层网格；

3)对在不同飞行速度下的连续旋转爆震发动机尾流进行CFD计算，所述CFD计算主要包括以下步骤：

3.1)读取生成的计算网格；

3.2)设置计算参数，包括飞行马赫数、飞行攻角、空气物理属性、连续旋转爆震发动机的旋转周期、每个周期内需计算的物理时间步数、伪时间步数；

3.3)设定相关边界条件，远场边界采用压力远场边界条件，发动机喷口的边界条件采用特殊处理来模拟连续旋转爆震波，包含以下两个步骤：

3.3.1)通过单独数值模拟连续旋转爆震发动机内部燃烧流场情况，得到发动机喷口边界上的流场物理量，包括静压、总压、静温、总温、密度、速度矢量；

3.3.2)采用基于径向基函数的插值方法，将已获得的发动机喷口边界流场物理量插值到当前发动机喷口边界网格上；

3.4)进行流场初始化；

3.5)进行发动机到远流场边界的计算域网格上的流场计算，包括无粘通量、粘性通量、湍流模型、隐式迭代求解；

流场计算采用非定常三维可压雷诺平均Navier-Stokes方程作为控制方程：

式中，W为守恒变量，F(W)和F_v分别是无粘通量和粘性通量，V表示任意网格单元，S表示网格单元的面元，Ω(t)是网格单元的体积；

采用有限体积法离散控制方程，在时间上采用二阶隐式格式离散，空间上采用二阶Roe-迎风格式离散，采用k-ε或k-ω湍流模型封闭控制方程，梯度重构基于最小二乘法，采用双时间法模拟连续旋转爆震发动机尾流的非定常效应，隐式迭代求解采用LU-SGS法或GMRES法；

3.6)判断伪时间计算步数是否超过设定值或是否达到收敛标准；若是，则进行下一步骤；若否，则返回步骤3.5)；

3.7)判断物理时间步数是否超过设定值；若是，则进行下一步骤；若否，则读取下一物理时间的内流场模拟得到的发动机喷口边界网格流场数据，通过径向基函数插值，更新下一物理时间外流场的发动机喷口边界条件，之后返回步骤3.5)进行下一物理时间步的流场计算；

3.8)输出计算得到的流场数据；计算结束；

4)对连续旋转爆震发动机的尾流进行后处理分析。

2.根据权利要求1所述的模拟连续旋转爆震发动机尾流的数值仿真方法，其特征在于：步骤1)所述的几何简化外形为外壳结构，包括发动机喷口和发动机外壳。

3.根据权利要求1所述的模拟连续旋转爆震发动机尾流的数值仿真方法，其特征在于：步骤3.3.2)中将已获得的发动机喷口边界流场物理量插值到当前发动机喷口边界网格上的具体方法如下：

径向基函数是一个取值仅仅依赖于离基准点x₀距离的实值函数，即φ(x)＝φ(||x﹣x₀||)，采用Wendland型径向基函数，定义插值点x到基准点x₀的距离为r＝||x﹣x₀||，设定一个支撑半径r_s，这里取为喷口边界的半径，距离大于支撑半径r_s的基准点对插值点x的影响较小，忽略不计，则径向基函数表达式为：

基于径向基函数的插值方程定义为：

式中，N为基准点的数量，这里为内流场模拟时发动机喷口边界网格数；α_j为插值系数，基于基准点坐标x₀及基准点处流场值b，通过Ax₀＝b得到系数矩阵A，α_j则为A矩阵中的系数；

通过径向基函数进行插值后，得到目前网格点的流场值，作为发动机喷口边界的边界条件。

4.根据权利要求书1所述的一种模拟连续旋转爆震发动机尾流的数值仿真方法，其特征在于：步骤3)中，由于连续旋转爆震发动机的爆震波是旋转的，发动机喷口边界条件是随时间变化的，每次开始新的物理时间步计算时，都要读取新的内流场发动机喷口边界流场值重新插值到当前网格上，更新当前发动机喷口的边界条件值；若外流场和内流场的时间步长不相等时，在时间上进行线性或非线性插值得到所需时刻的喷口边界流场值。