[发明专利]基于准一维化学动力学过程和自模性的喷焰流场预估方法

说明书

本发明公开了基于准一维化学动力学过程和自模性的喷焰流场预估方法，本发明针对低空喷焰的流场特点，可以划分为初始区、过渡区和核心区三个部分，在不同的喷焰流场分区，采用不同的计算方法实现对低空喷焰的快速仿真。本发明能够实现低空喷焰初始段、过渡段、核心区高精度的带化学动力反应过程的流场实时/准实时预估，为低空喷焰流场特性的快速准确计算提供一种方法，解决以往基于CFD方法喷焰流场计算效率低的问题。

技术领域

本发明涉及基于准一维化学动力学过程和自模性的低空喷焰流场预估方法，特别是用于低空喷焰红外辐射特性仿真的流场快速计算方法。

背景技术

目前CFD(计算流体力学)方法是实现低空喷焰流场仿真的主要方法。对于动目标的低空喷焰流场仿真而言，CFD方法是针对剖分的网格求解考虑化学反应动力过程、输运方程、能量守恒的NS方程，为了保证收敛性和求解精度，一般网格数量至少在50-200万的量级，仿真获得某一典型状态下的流场计算时间成本较高，效率较低，远不能满足实际工程的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了基于准一维化学动力学过程和自模性的喷焰流场预估方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：基于准一维化学动力学过程和自模性的喷焰流场预估方法，包括如下步骤：步骤1)低空喷焰流场初始段预估：

基于膨胀比、伴随流速度、喷焰出口的比热比三个核心参数建立大量的初始段模板，并以比热比、膨胀比、伴随流速度依次从模板中选取最接近的模板作为基础，构建任意状态下的低空喷焰初始段流场；

步骤2)低空喷焰流场核心区预估：

首先利用准一维气体动力学守恒定律，采用Arrhenius化学反应模型，计算轴线方向上化学动力过程的喷焰流场特性；然后利用自模性完成喷焰流场特性的二维扩展，从而构建低空喷焰的核心区流场。

上述技术方案中，所述低空喷焰流场初始段预估包括以下步骤：

第一步：建立典型状态的喷焰初始段模板，建立随膨胀比N_PR、喷管出口的比热比γ_g、伴随流速度U_∞变化的初始段流场的模板；

基于CFD++建立化学冻结过程，包含喷焰气体和环境气体的喷焰初始段模板，

第二步：喷焰初始段模板选择

对于基于准一维化学动力学过程和自模性的低空喷焰流场快速预估方法，喷焰初始段模板基于以下顺序选择相应的模型，首先匹配最接近的γ_g，接下去是N_PR，最后是U_∞，基于选择的模板，计算流场特性；

第三步：控制喷焰初始段流场尺度

得到高速伴随流对喷焰尺度L_t的影响函数g(U_∞)。

上述技术方案中，初始段的长度L_t是从喷管出口到环境气体的质量分数减小到0.1 时的距离，喷焰的最大等效半径R_t是喷焰边界的温度降低到环境来流的1.05倍。

上述技术方案中，按下述公式计算流场特性：

Y_ig＝Y_igeY_gt；Y_ia＝Y_iaY_at；P＝ρRT。

上述技术方案中，根据给定的以下三式：

式1：式1：高速伴随流影响L_t的函数f(U_∞)及高速伴随流影响R_t的函数g(U_∞)”，