一种基于羽流场的固体推进剂烟雾特性虚拟评价方法

摘要

本发明公开了一种基于羽流场的固体推进剂烟雾特性虚拟评价方法，包括步骤：一、初始参数设定与存储；二、能量特性参数计算；三、发动机羽流场计算；四、一次烟特征值计算，调用一次烟遮挡率计算模型，并结合羽流场计算结果，计算得出所评价固体推进剂燃烧后发动机羽流场中喷管轴线上各位置处的一次烟遮挡率k；五、二次烟特征值计算，调用二次烟相对湿度计算模型，并结合羽流场计算结果，计算得出所评价固体推进剂燃烧后的发动机羽流场中喷管轴线上各位置处的二次烟相对湿度RH_amb。本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能有效解决现有固体推进剂烟雾信号性能评价时存在的人力物力投入大、周期长、试验量大等缺陷。

主权项

一种基于羽流场的固体推进剂烟雾特性虚拟评价方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、初始参数设定与存储：首先，通过与数据处理器相接的参数输入单元，输入配制所评价固体推进剂所用的组分数量N和各组分的组分信息，并将所输入的信息同步存储至与所述数据处理器相接的数据存储单元内；其中，各组分的组分信息均包括化学式和质量配比m_i，i＝1、2、…、N，N为配制所评价固体推进剂所用组分的数量；其中，0＜m_i＜100，N≥2；之后，通过所述参数输入单元自预先建立的燃烧产物数据库中，选出所评价固体推进剂燃烧后所产生的所有燃烧产物；所述燃烧产物数据库中存储有多种燃烧产物的属性信息；其中，各燃烧产物的属性信息均包括化学式、相对分子质量和相态，其中相态为气相或凝聚相；同时，通过所述参数输入单元对所评价固体推进剂燃烧后所产生燃烧产物的数量m和凝聚相产物的数量Q进行设定，且所评价固体推进剂燃烧后所产生的燃烧产物中包括Q个凝聚相产物和(m‑Q)个气相产物，其中m和Q均为正整数，且Q≥1；步骤二、能量特性参数计算，其计算过程如下：步骤201、建模：根据最小自由能原理，建立最小自由能数学模型和燃烧室温度计算模型；步骤202、平衡组成计算：所述数据处理器调用步骤201中所建立的最小自由能数学模型，并结合步骤一中所设定的初始参数，计算得出所评价固体推进剂燃烧后的燃烧产物平衡组成；步骤203、绝热燃烧温度计算：所述数据处理器调用步骤201中所建立的燃烧室温度计算模型，计算得出所评价固体推进剂燃烧后处于化学平衡状态时的绝热燃烧温度；步骤三、羽流场计算，其计算过程如下：步骤301、燃烧室工作参数以及喷管几何参数与喷流计算域范围设定：首先，通过所述参数输入单元对发动机的燃烧室内压强P_c、环境压力和环境温度T_环分别进行设定；之后，再通过所述参数输入单元对发动机喷管的几何参数和喷流计算域范围进行设定；其中，发动机喷管的几何参数包括入口半径r₁、喉部半径r₂、出口半径r₃、收敛段长度d1、喉部圆柱段长度d2、扩张角α和扩张段长度d3，其中入口半径r₁为发动机喷管的入口半径，喉部半径r₂为发动机喷管的喉部半径，出口半径r₃为发动机喷管的出口半径，收敛段长度d1为发动机喷管入口到喷管喉部前端的长度，喉部圆柱段长度d2为发动机喷管的喉部长度，扩张角α为发动机喷管扩张段的壁面与其轴线之间的夹角，且扩张段长度d3为发动机喷管喉部末端到喷管出口的长度；喷流计算域范围包括喷流轴向长度x_m和喷流径向长度y_m，其中喷流轴向长度x_m为发动机喷管出口到喷流下游出口的长度，喷流径向长度y_m为发动机喷管轴线到喷流径向外边界的长度；步骤302、发动机羽流场计算：所述数据处理器调用FULENT软件，并结合步骤二中计算得出的能量特性参数、步骤301中所设定的燃烧室工作参数以及喷管几何参数与喷流计算域范围，对所评价固体推进剂进行羽流场计算，并相应计算得出所评价固体推进剂燃烧后所产生的各凝聚相产物在发动机喷管轴线上各位置处的质量百分含量M_h、各气相产物在发动机喷管轴线上各位置处的摩尔百分含量f_z和发动机喷管轴线上各位置处的压强P_气相；其中，h和z均为正整数，且h＝1、…、Q，z＝1、…、(m‑Q)；步骤四、一次烟特征值计算，其计算过程如下：步骤401、建模：采用所述数据处理器，建立固体推进剂的一次烟特征值计算模型，且所建立的一次烟特征值计算模型为一次烟遮挡率计算模型：式(1)中N_h和SG_h分别为通过所述参数输入单元预先输入的第h种凝聚相产物的光学特性常数和比重；M_h为第h种凝聚相产物在发动机喷管轴线上的质量百分含量；步骤402、一次烟特征值计算：所述数据处理器调用步骤401中所建立的一次烟遮挡率计算模型，并结合步骤302中计算得出的所评价固体推进剂燃烧后所产生的各凝聚相产物在发动机喷管轴线上的质量百分含量M_h，计算得出所评价固体推进剂燃烧后的发动机羽流场中喷管轴线上各位置处的一次烟遮挡率k；步骤五、二次烟特征值计算，其计算过程如下：步骤501、建模：采用所述数据处理器，建立固体推进剂的二次烟特征值计算模型，且所建立的二次烟特征值计算模型为二次烟相对湿度计算模型：RH_amb＝100×[K‑f_total×0.16589)](2)，式(2)中其中f_total为所评价固体推进剂燃烧后所产生燃烧产物中凝聚物在发动机喷管轴线上的摩尔百分含量，为所评价固体推进剂燃烧后所产生燃烧产物中的水在发动机喷管轴线上的摩尔百分含量，f_HCl为所评价固体推进剂燃烧后所产生燃烧产物中的HCl在发动机喷管轴线上的摩尔百分含量，且f_HF为所评价固体推进剂燃烧后所产生燃烧产物中的HF在发动机喷管轴线上的摩尔百分含量；式中p₀为通过所述参数输入单元预先输入的0℃时水的饱和蒸气压，P＝P_HCl+P_HF，其中P_HCl为气相产物HCl的气体分压且P_HCl＝f_HCl×P_气相，P_HF为气相产物HF的气体分压且P_HF＝f_HF×P_气相，P_气相为步骤302中计算得出的发动机喷管轴线上各位置处的压强；步骤502、二次烟特征值计算：所述数据处理器调用步骤501中所建立的二次烟相对湿度计算模型，并结合步骤302中计算得出的所评价固体推进剂燃烧后所产生的各气相产物在发动机喷管轴线上各位置处的摩尔百分含量f_z，计算得出所评价固体推进剂燃烧后的发动机羽流场中喷管轴线上各位置处的二次烟相对湿度RH_amb。