[发明专利]模拟连续旋转爆震发动机尾流的数值仿真方法

说明书

本发明提供一种模拟连续旋转爆震发动机尾流的数值仿真方法，代替复杂且难以实施的风洞试验分析，推进连续旋转爆震发动机的设计研制进程。为此，本发明采用的技术方案是，通过基于径向基函数的插值方法，将发动机内流场数值仿真得到的发动机喷口边界处离散网格点流场数据插值到发动机尾流数值模拟时的喷口边界上，作为边界条件保留喷口处旋转爆震波的主要特征，进而对外流场进行CFD计算对发动机尾流进行数值模拟。该方法较准确地分析爆震波从喷口传出后的尾流对飞行器的影响，大大降低研究成本，推进连续旋转爆震发动机的设计研制进程，同时适用于其他类型发动机尾流的研究，扩大了研究适用范围。

技术领域

本发明涉及航空航天领域，具体是一种模拟连续旋转爆震发动机尾流的数值仿真方法。

背景技术

爆震燃烧是一种高效的预混燃烧放热方式，其优点在于能量释放速率快、热力循环效率高等。随着对高超声速飞行器研究的不断深入，基于爆震燃烧的优点，发展出了一种称为连续旋转爆震发动机的新概念发动机。其采用环形燃烧室，将预混可燃气体从燃烧室入口喷入，燃烧产生的爆震波后方压力较高，远高于喷入气体的总压，使得喷注口关闭；随着爆震波在环形燃烧室内沿周向传播，燃烧产物不断排出，使得压力降低，新的预混气体再次喷入燃烧室中，开始下一轮循环的燃烧，因此爆震波可以在燃烧室内稳定地旋转传播。连续旋转爆震发动机的优点在于：相比于普通的爆震发动机，只需要一次点火起爆就可以连续燃烧；推进效率高；缩短了燃烧室长度，减少了整体结构质量；工作范围广，适用于亚声速到高超声速。因此，连续旋转爆震发动机在世界上引起了广泛关注。

连续旋转爆震发动机的旋转尾流可能会对飞行器的飞行性能产生影响。为了研究该发动机的尾流对飞行器和流场的影响，通常采用风洞试验进行分析，由于发动机需要在风洞中点火燃烧、风洞尺寸限制、爆震波旋转频率较快等因素，风洞试验实施起来较为困难。随着计算机技术的发展，计算流体力学(CFD)广泛用于航空航天领域，通过数值仿真的方式，可以较为精确的得到飞行器周围的外流场以及发动机内流场的分布情况，揭示一定的物理现象，为设计和试验提供指导。数值仿真具有成本低、耗时短、数据全面的优点，同时不受空间尺度限制，可以很容易地模拟实机在真实的条件的工作情况。目前已有学者针对连续旋转爆震发动机的内流场开展数值仿真研究，具体研究爆震波在燃烧室内的产生与传播。但是，用数值仿真方法对发动机尾流的研究甚少，原因在于：

1.发动机尾流需要模拟外流场，外流场通常只需求解单相流体控制方程即可，而发动机内部流场涉及到化学反应，两者同时模拟较为困难。

2.若单独通过外流场研究连续旋转爆震发动机的尾流，则需要在发动机喷口边界上模拟出爆震波，缺少内流场模拟数据该边界条件无法给定。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种模拟连续旋转爆震发动机尾流的数值仿真方法,该方法较准确地分析爆震波从喷口传出后的尾流对飞行器的影响，大大降低研究成本，推进连续旋转爆震发动机的设计研制进程，同时适用于其他类型发动机尾流的研究，扩大了研究适用范围。

本发明公开的一种模拟连续旋转爆震发动机尾流的数值仿真方法，包括以下步骤：

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，仅需包括发动机喷口和发动机外壳等，无需建立发动机内部的几何结构；

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，网格因具备较好地质量，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；

4)对连续旋转爆震发动机的尾流进行后处理分析。

所述步骤3)中的CFD计算包括以下步骤：

3.1)读取生成的计算网格；