本發(fā)明涉及基于準(zhǔn)一維化學(xué)動力學(xué)過程和自模性的低空噴焰流場預(yù)估方法，特別是用于低空噴焰紅外輻射特性仿真的流場快速計算方法。

背景技術(shù)：

目前cfd(計算流體力學(xué))方法是實現(xiàn)低空噴焰流場仿真的主要方法。對于動目標(biāo)的低空噴焰流場仿真而言，cfd方法是針對剖分的網(wǎng)格求解考慮化學(xué)反應(yīng)動力過程、輸運(yùn)方程、能量守恒的ns方程，為了保證收斂性和求解精度，一般網(wǎng)格數(shù)量至少在50-200萬的量級，仿真獲得某一典型狀態(tài)下的流場計算時間成本較高，效率較低，遠(yuǎn)不能滿足實際工程的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了基于準(zhǔn)一維化學(xué)動力學(xué)過程和自模性的噴焰流場預(yù)估方法。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：基于準(zhǔn)一維化學(xué)動力學(xué)過程和自模性的噴焰流場預(yù)估方法，包括如下步驟：步驟1)低空噴焰流場初始段預(yù)估：

基于膨脹比、伴隨流速度、噴焰出口的比熱比三個核心參數(shù)建立大量的初始段模板，并以比熱比、膨脹比、伴隨流速度依次從模板中選取最接近的模板作為基礎(chǔ)，構(gòu)建任意狀態(tài)下的低空噴焰初始段流場；

步驟2)低空噴焰流場核心區(qū)預(yù)估：

首先利用準(zhǔn)一維氣體動力學(xué)守恒定律，采用arrhenius化學(xué)反應(yīng)模型，計算軸線方向上化學(xué)動力過程的噴焰流場特性；然后利用自模性完成噴焰流場特性的二維擴(kuò)展，從而構(gòu)建低空噴焰的核心區(qū)流場。

上述技術(shù)方案中，所述低空噴焰流場初始段預(yù)估包括以下步驟：

第一步：建立典型狀態(tài)的噴焰初始段模板，建立隨膨脹比npr、噴管出口的比熱比γg、伴隨流速度u∞變化的初始段流場的模板；

基于cfd++建立化學(xué)凍結(jié)過程，包含噴焰氣體和環(huán)境氣體的噴焰初始段模板，

第二步：噴焰初始段模板選擇

對于基于準(zhǔn)一維化學(xué)動力學(xué)過程和自模性的低空噴焰流場快速預(yù)估方法，噴焰初始段模板基于以下順序選擇相應(yīng)的模型，首先匹配最接近的γg，接下去是npr，最后是u∞，基于選擇的模板，計算流場特性；

第三步：控制噴焰初始段流場尺度

得到高速伴隨流對噴焰尺度lt的影響函數(shù)g(u∞)。

上述技術(shù)方案中，初始段的長度lt是從噴管出口到環(huán)境氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小到0.1時的距離，噴焰的最大等效半徑rt是噴焰邊界的溫度降低到環(huán)境來流的1.05倍。

上述技術(shù)方案中，按下述公式計算流場特性：

yig＝y(tǒng)igeygt；yia＝y(tǒng)iayat；p＝ρrt。

上述技術(shù)方案中，根據(jù)給定的以下三式：

式1：式1：高速伴隨流影響lt的函數(shù)f(u∞)及高速伴隨流影響rt的函數(shù)g(u∞)”，

g(u∞)＝1/u∞；

式2至式3：初始段噴焰流場的尺度控制如下所示：

其中，kl和kg是擬合常數(shù)，得到高速伴隨流下噴焰的尺度l和r。

上述技術(shù)方案中，低空噴焰流場核心區(qū)預(yù)估包括：

第一步：準(zhǔn)一維模型求解噴焰流場核心區(qū)：

采用準(zhǔn)一維模型求解核心區(qū)軸線上的噴焰流場平均特性，通過求解下述方程，其中起始的長度單位以初始段的半徑b0，

質(zhì)量：

動量：

能量：

組分：

其中卷吸系數(shù)α是描述噴焰從環(huán)境大氣中卷吸氣體混合的經(jīng)驗系數(shù)；

基于上述的假設(shè)，下面給出了從噴管出口到噴焰核心區(qū)的守恒關(guān)系式如下：

質(zhì)量：

動量：

能量：

組分：y0i＝y(tǒng)ei

其中ε是噴管的擴(kuò)張比，cfmax和cd是最大的推力系數(shù)和阻力系數(shù)；

組分的生成速率按照有限層流化學(xué)反應(yīng)速率公式進(jìn)行計算：

其中v′ij和v″ij是化學(xué)反應(yīng)方程j中組分i的反應(yīng)與生成的化學(xué)計量；按照arrhenius定律給出的前向反應(yīng)速率kfi和反向反應(yīng)速率kbi，第i組分的按下式計算：

第二步：自模性噴焰流場核心區(qū)擴(kuò)展

通過自模性方法計算流場徑向方向的流體參數(shù)，

對于流體特性如軸向速度、壓強(qiáng)、溫度和質(zhì)量濃度在軸向任意位置上的徑向分布近似滿足高斯分布，如下式：

其中rφ是流場特性的半寬尺寸，其表征的中心線上值1/2處的流場寬度，σφ表征的是狀態(tài)背離參數(shù)，

通過上述第一步的準(zhǔn)一維方程的求解，獲得任意切面處的流動屬性參數(shù)和射流的半徑b，假定自模性的流動參數(shù)趨近于伴隨流的混合邊界，即在r＝b/2處存在φ＝φ∞，噴焰氣體密度在任意切面處是恒定的，考慮流動參數(shù)的守恒性，修正后的φm和如下式所示流動屬性參數(shù)可認(rèn)為rφ＝b/6和σφ為0.5時，采用下述公式可求解全部的流場屬性：

通過上述步驟，可實現(xiàn)低空噴焰流場的快速預(yù)估，給出噴焰流場的壓強(qiáng)、溫度、密度、組分濃度的分布特性，支撐噴焰紅外輻射特性的快速仿真。

上述技術(shù)方案中，卷吸系數(shù)α是隨馬赫數(shù)變化的參數(shù)，其變化符合如下參數(shù)；

本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)低空噴焰初始段、過渡段、核心區(qū)高精度的帶化學(xué)動力反應(yīng)過程的流場實時/準(zhǔn)實時預(yù)估，為低空噴焰流場特性的快速準(zhǔn)確計算提供一種方法，解決以往基于cfd方法噴焰流場計算效率低的問題。

附圖說明

圖1是低空噴焰流場的結(jié)構(gòu)分布圖

圖2是低空噴焰流場預(yù)估方法的流程圖

圖3是低空噴焰流場初始段模板圖

圖4是當(dāng)γg＝1.2時，lt隨npr和u∞擬合曲線

圖5是本方法與cfd方法仿真的軸線上溫度與組分分布圖

圖6是本方法與cfd方法仿真的溫度與組分分布云圖

圖7是不同高度下本方法與cfd方法仿真的軸線上溫度與組分分布圖

圖8是不同高度下本方法與cfd方法仿真的溫度與組分分布云圖

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：參見圖1至圖4，基于準(zhǔn)一維化學(xué)動力學(xué)過程和自模性的噴焰流場預(yù)估方法，包括如下步驟。

首先，獲取低空噴焰的流體參數(shù)，包括發(fā)動機(jī)出口氣體和環(huán)境氣體的參數(shù)。

步驟1)進(jìn)行低空噴焰流場初始段預(yù)估，具體如下。

第一步：建立典型狀態(tài)的噴焰初始段模板

噴焰流場是由噴管出口流動參數(shù)和伴隨流(即環(huán)境大氣來流)決定的，可歸結(jié)為膨脹比npr(噴管出口壓強(qiáng)與環(huán)境壓強(qiáng)比)、噴管出口的比熱比γg、伴隨流速度u∞。由于噴管出口速度很高(一般大于1500m/s)，外部環(huán)境中氣體無法進(jìn)入噴焰內(nèi)部，所以初始段可以忽略化學(xué)反應(yīng)的作用。建立隨膨脹比npr、噴管出口的比熱比γg、伴隨流速度u∞變化的初始段流場的模板。

基于cfd++建立化學(xué)凍結(jié)過程，包含噴焰氣體和環(huán)境氣體的噴焰初始段模板，初始段的長度lt是從噴管出口到環(huán)境氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小到0.1時的距離，噴焰的最大等效半徑rt是噴焰邊界的溫度降低到環(huán)境來流的1.05倍。

第二步：噴焰初始段模板選擇

對于基于準(zhǔn)一維化學(xué)動力學(xué)過程和自模性的低空噴焰流場快速預(yù)估方法，噴焰初始段模板基于以下順序選擇相應(yīng)的模型，首先匹配最接近的γg，接下去是npr，最后是u∞，基于選擇的模板，按下述公式計算流場特性：

yig＝y(tǒng)igeygt；yia＝y(tǒng)iayat；p＝ρrt

第三步：控制噴焰初始段流場尺度

因為建立的模板無法覆蓋所有的流動狀態(tài)，基于典型模板統(tǒng)計分析，對于給定的γg和u∞<u^*/2(其中)，噴焰尺度lt和rt隨ln(npr)線性變化，隨著伴隨流速度u∞的增加，對應(yīng)的lt隨之增加，當(dāng)伴隨流速度趨近于噴焰極限膨脹速度時，lt達(dá)到其最大值，后隨著伴隨流增加，lt減小。見圖4。

下式給出了高速伴隨流影響lt的函數(shù)f(u∞)及高速伴隨流影響rt的函數(shù)g(u∞)：

g(u∞)＝1/u∞；

初始段噴焰流場的尺度控制如下所示：

其中，kl和kg是擬合常數(shù)，得到高速伴隨流下噴焰的尺度l和r。

步驟2)進(jìn)行低空噴焰流場核心區(qū)預(yù)估，具體如下。

第一步：準(zhǔn)一維模型求解噴焰流場核心區(qū)

采用準(zhǔn)一維模型求解核心區(qū)軸線上的噴焰流場平均特性。通過求解下述方程，其中起始的長度單位以初始段的半徑b0。

質(zhì)量：

動量：

能量：

組分：

其中卷吸系數(shù)α是描述噴焰從環(huán)境大氣中卷吸氣體混合的經(jīng)驗系數(shù)，它是隨馬赫數(shù)變化的參數(shù)。

基于上述的假設(shè)，下面給出了從噴管出口到噴焰核心區(qū)的守恒關(guān)系式如下：

質(zhì)量：

動量：

能量：

組分：y0i＝y(tǒng)ei

其中ε是噴管的擴(kuò)張比，cfmax和cd是最大的推力系數(shù)和阻力系數(shù)。

組分的生成速率按照有限層流化學(xué)反應(yīng)速率公式進(jìn)行計算：

其中v′ij和v″ij是化學(xué)反應(yīng)方程j中組分i的反應(yīng)與生成的化學(xué)計量。按照arrhenius定律給出的前向反應(yīng)速率kfi和反向反應(yīng)速率kbi，第i組分的按下式計算：

第二步：自模性噴焰流場核心區(qū)擴(kuò)展

通過自模性方法計算流場徑向方向的流體參數(shù)。

對于流體特性如軸向速度、壓強(qiáng)、溫度和質(zhì)量濃度在軸向任意位置上的徑向分布近似滿足高斯分布，如下式：

其中rφ是流場特性的半寬尺寸，其表征的中心線上值1/2處的流場寬度，σφ表征的是狀態(tài)背離參數(shù)。

通過上述第一步的準(zhǔn)一維方程的求解，獲得任意切面處的流動屬性參數(shù)和射流的半徑b。假定自模性的流動參數(shù)趨近于伴隨流的混合邊界，即在r＝b/2處存在φ＝φ∞，噴焰氣體密度在任意切面處是恒定的，考慮流動參數(shù)的守恒性，修正后的φm和如下式所示

流動屬性參數(shù)可認(rèn)為rφ＝b/6和σφ為0.5時，采用下述公式可求解全部的流場屬性：

通過上述步驟，可實現(xiàn)低空噴焰流場的快速預(yù)估，給出噴焰流場的壓強(qiáng)、溫度、密度、組分濃度的分布特性，支撐噴焰紅外輻射特性的快速仿真。

以下對本發(fā)明的實施例中的各個參數(shù)符號進(jìn)行說明。

符號說明：

b為噴焰區(qū)域的半徑,單位：m

cp定壓比熱,單位：j/(kg·k)

d噴管出口的直徑,單位：m

h焓,單位：j

l初始段和過渡段的軸線長度,單位：m

m噴焰流場的馬赫數(shù)

npr為膨脹比，表征為噴管出口壓強(qiáng)與環(huán)境壓強(qiáng)比

p流體的壓強(qiáng),單位：pa

r初始段和過渡段徑向長度,單位：m；

氣體常數(shù)r徑向長度,單位：m

x軸向長度，單位：m

t噴焰流場溫度,單位：k

u為伴隨流速度，單位：m/s

u為噴焰流場的軸向速度，單位：m/s

v為噴焰流場的徑向速度，單位：m/s

w為噴焰流場的摩爾質(zhì)量,單位：kg/(kmol)

y為質(zhì)量分?jǐn)?shù)

ρ為噴焰流場的密度,單位：kg/m³

γg為噴焰氣體的比熱比為組分的化學(xué)反應(yīng)生成速率,單位：kg/(·sm³)

說明書中各公式所用到的下標(biāo)含義：

0噴焰初始參數(shù)a環(huán)境參數(shù)

g噴焰氣體參數(shù)c燃燒室參數(shù)

e噴管出口參數(shù)i噴焰組分的計數(shù)

j噴焰化學(xué)反應(yīng)的計數(shù)m軸線上噴焰參數(shù)

t模板參數(shù)∞環(huán)境來流條件

示例說明如下：

u∞為伴隨流速度。

lt為初始段的長度，表征為從噴管出口到環(huán)境氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小到0.1時的距離。

rt為噴焰的最大等效半徑，表征為噴焰邊界的溫度降低到環(huán)境來流的1.05倍時的長度。

其中p為壓強(qiáng)，pt為模板壓強(qiáng)，pe為噴管出口壓強(qiáng)，pte為模板噴管出口壓強(qiáng)。

其中t為溫度，tt為模板溫度，te為噴管出口溫度，tte為模板噴管出口溫度。

其中u為速度，ut為模板速度，ue為噴管出口速度，ute為模板噴管出口速度。

yig＝y(tǒng)igeygt其中yig為第i組分的氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，yige為模板中第i組分噴管出口處氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ygt為模板中第i組分的氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

yia＝y(tǒng)iayat其中yia為環(huán)境來流第i組分氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，yia為模板中環(huán)境來流第i組分氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，yat為模板中環(huán)境來流第i組分的氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

p＝ρrt其中p為壓強(qiáng)；ρ為密度；r為氣體常數(shù)；t為溫度。

為噴焰的極限速度。

為最大的推力系數(shù)。

為最大的阻力系數(shù)。

本發(fā)明針對低空噴焰的流場特點，可以劃分為初始區(qū)、過渡區(qū)和核心區(qū)三個部分，在不同的噴焰流場分區(qū)，采用不同的計算方法實現(xiàn)對低空噴焰的快速仿真。其中初始區(qū)的流場結(jié)構(gòu)主要由發(fā)動機(jī)出口參數(shù)和環(huán)境壓力所決定的，但是不同的導(dǎo)彈目標(biāo)隨高度噴焰流場初始段是結(jié)構(gòu)相似的，采用模板匹配方法實現(xiàn)初始段和過渡段的快速預(yù)估，在初始段和過渡段由于噴焰速度較快，外部的空氣難以進(jìn)入噴焰內(nèi)部，此段不存在復(fù)燃，因此分三步實現(xiàn)：①模板選擇，根據(jù)發(fā)動機(jī)出口參數(shù)選擇相對應(yīng)的初始段流場結(jié)構(gòu)；②設(shè)置流場參數(shù)性質(zhì)；③流場尺度的標(biāo)度律修正；核心區(qū)由于噴焰速度降低，環(huán)境中空氣被卷吸進(jìn)入噴焰中，與未燃的組分(h2、co等)發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生高溫復(fù)燃區(qū)，采用準(zhǔn)一維化學(xué)反應(yīng)模型和自模性擴(kuò)展來估算噴焰的核心區(qū)?；谏鲜龅姆椒?，從而實現(xiàn)二維噴焰流場的快速計算，在快速計算過程中僅需求解一維的流體動力學(xué)過程，這相對于傳統(tǒng)的求解方法，計算效率會有極大地提升，同時本方法也考慮的復(fù)燃效應(yīng)，與傳統(tǒng)仿真方法不會存在太大的誤差。

本發(fā)明的主要創(chuàng)新點是針對噴焰流場的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了不同仿真方法，并基于準(zhǔn)一維化學(xué)反應(yīng)模型和自模性擴(kuò)展的方法實現(xiàn)了核心區(qū)高效、快速仿真，極大地提升了低空噴焰流場的仿真效率。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。