一种基于物质点法的固体推进剂燃面推移方法技术

本发明专利技术提供了一种基于物质点法的固体推进剂燃面推移方法，该方法包括以下步骤：构造表征已燃烧区域、燃烧界面与未燃烧区域的隐式函数；通过网格划分工具生成包含网格结点信息与边界划分信息的.k文本文件；导入.k文件并创建网格数据实例；创建网格结点标量数据实例，划分网格对固体推进剂进行离散化；设置迭代时间步、初始条件、边界条件、燃面推移速度；计算当前时间步网格结点标量梯度；更新网格结点标量数据；计算dt时间内燃烧消耗的固体推进剂药量；更新内弹道参数；根据网格标量梯度、时间步长与燃速进行时间推进更新。本发明专利技术在模拟推进剂燃烧过程这一大变形情况下没有出现数值间断问题，对推进剂燃面

【技术实现步骤摘要】
一种基于物质点法的固体推进剂燃面推移方法


[0001]本专利技术涉及固体推进剂
，具体涉及一种基于物质点法的固体推进剂燃面推移方法。

技术介绍

[0002]火箭发动机在推进系统中占有重要地位，其中固体火箭发动机因为其优点而被广泛应用于各类火箭和导弹、航空航天、气象观测、人工减灾等各领域。固体火箭发动机由于装药事先固定，在工作过程中，固体火箭发动机内弹道难以调节，所以对于固体火箭发动机来说，如果能够准确地预估发动机的内弹道有重要意义。而发动机的内弹道极大程度上取决于推进剂的药型设计，因此固体火箭发动机装药是固体火箭发动机设计的核心内容之一，找到一种针对三维装药的通用燃面推移计算方法具有重要的工程应用价值。
[0003]由于推进剂制造成本高，实验危险性强，推进剂燃烧过程的数值模拟方法因为其快捷、安全和低成本的优点，已经成为装药燃面推移计算的重要方法之一。传统的基于有限元网格计算推进剂燃烧的方法存在网格畸变缺陷，在推进剂药型拓扑结构变化较大的情况下，无法获得准确可靠的推进剂燃面
‑
肉厚关系模拟。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于物质点法的固体推进剂燃面推移算法。该方法克服传统有限元方法的网格畸变缺陷，在模拟推进剂燃烧过程这一大变形情况下没有出现数值间断问题，对推进剂燃面
‑
肉厚关系模拟得准确可靠。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案包括如下步骤：
[0006]S1构造表征已燃烧区域、燃烧界面与未燃烧区域的隐式函数
[0007]S2通过网格划分工具对固体推进剂进行网格划分，生成包含网格结点信息与边界划分信息的.k文本文件；导入.k文件并创建网格数据实例。
[0008]S3创建网格结点标量数据实例，得到网格的离散化结果。
[0009]S4设置如下参数：迭代时间步步长、初始条件、边界条件以及燃面推移速度。
[0010]S5计算当前时间步网格结点标量梯度，更新网格结点标量数据。
[0011]S6计算dt时间内燃烧消耗的固体推进剂药量，更新内弹道参数。
[0012]S7根据网格标量梯度、时间步长与燃速进行时间推进更新。
[0013]进一步地，隐式函数标量根据输运方程描述的物理过程进行赋值。
[0014]标量没有实际的物理意义，仅用于表征当前空间结点的状态，即表征处于已燃烧区域内、在燃烧界面上、处于未燃烧区域内三种状态，因此可构造隐式函数如下式所示：
[0015][0016]式子中，Ω
‑
表示封闭空间内侧，表示封闭空间边界，Ω
+
表示封闭空间外侧，表示物质点在空间计算域的坐标。
[0017]进一步地，S2中，通过网格划分工具对固体推进剂进行网格划分，具体为：
[0018]根据固体推进剂装药的几何模型，通过建模工具在装药的几何空间内划分网格生成离散网格结点。
[0019]进一步地，S4中，设置初始条件与边界条件，包括：
[0020]根据初始燃面的空间分布，对网格结点上的标量按照下式进行初始化，并设置相应的边界条件：
[0021][0022]式子中，Ω
‑
表示封闭空间内侧，表示封闭空间边界，Ω
+
表示封闭空间外侧，表示物质点在空间计算域的坐标。
[0023]进一步地，S5中，计算当前时间步网格节点标量梯度时，根据固体推进剂的真实燃烧特性，应遵循以下准则：
[0024]固体推进剂燃面只能从已燃烧区域向未燃烧区域推移；
[0025]已燃烧区域不可能再次转变为未燃烧区域；
[0026]已燃烧区域即标量值为
‑
1的网格结点梯度恒为零，表述为式子中，
▽
表示梯度值，为第i个网格结点在t
n
时间步的标量，为第n个迭代步时的网格结点p的隐式函数的梯度；
[0027]在取值为(0,1]的网格结点上计算标量梯度时，为保证推进剂燃面可以对未燃烧区域能够进行影响，而不出现结点标量恒定不变的假收敛情况，应使用中心差分或者迎风格式进行梯度计算，以一维网格结点为例，采用中心差分格式时有采用一阶迎风格式时有式
[0028][0029]式中，为第i个网格结点在t
n
时间步的标量，为第i+1个网格结点在t
n+1
时间步的标量，为第n个迭代步时的网格结点p的隐式函数的梯度，Δx为第i+1个网格结点在t
n+1
时间步的坐标与第i个网格结点在t
n
时间步的坐标差，u为固体推进剂的燃速值。
[0030]进一步地，S7中，根据网格标量梯度、时间步长与燃速进行时间推进更新时，应遵
循以下准则：
[0031]已燃烧区域网格结点不可能逆向重新变化为未燃烧状态，因此标量取值为
‑
1的网格结点标量值保持不变。
[0032]处于燃面上的网格结点，燃面推移之后必然进入已燃烧状态，其标量更新值直接由0变为
‑
1，梯度值为
‑
1；
[0033]固体推进剂空间内的网格结点只可能处于已燃烧、在燃烧与未燃烧三种状态，即上式规定的
‑
1，0，1三种取值，但是在数值计算过程中受燃面推移影响的未燃烧区域近燃面网格结点上的标量值可以处于(0,1]的中间状态；
[0034]在不考虑侵蚀燃烧并假定燃烧室内压强分布均匀的前提下，认为a
n
在燃烧界面上处处相等。
[0035]进行时间迭代时间步长的设置应满足CFL条件，避免迭代发散。
[0036]对于临近网格结点标量为(0,1]的情况，表明燃面尚未推移到临近结点，此处结点的梯度为0，避免燃面的虚假推移。
[0037]对于边界上的网格结点，若处于已燃烧区域或燃面上，则可直接更新状态，若处于未燃烧区域，则可沿法线向外延拓虚拟结点，取值仍为1。
[0038]有益效果：
[0039]1.本专利技术提供的一种基于物质点法的固体推进剂燃面推移方法，该方法的形函数基于背景网格建立，引入了有限元形函数，其计算量相比于其他无网格法小得多；该方法克服传统有限元方法的网格畸变缺陷，在模拟推进剂燃烧过程这一大变形情况下没有出现数值间断问题，对推进剂燃面
‑
肉厚关系模拟得准确可靠。
[0040]2.本专利技术提供的一种基于物质点法的固体推进剂燃面推移方法，该方法提供的形函数具有插值特性，故推进剂的边界条件更容易施加；物质点法中的质点与背景网格结点固定联系，无需耗费大量时间搜索，大大提高了计算效率。
[0041]3.本专利技术提供的一种基于物质点法的固体推进剂燃面推移方法，物质点法的临界时间步长由背景网格单元尺寸决定，相比于一般无网格法则是由质点间最小间距决定，物质点法由于网格尺寸不变，使得时间步长能够维持稳定。
[0042]4.本专利技术提供的一种基于物质点法的固体推本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于物质点法的固体推进剂燃面推移方法，其特征在于，包括如下步骤：S1构造表征已燃烧区域、燃烧界面与未燃烧区域的隐式函数S2通过网格划分工具对固体推进剂进行网格划分，生成包含网格结点信息与边界划分信息的.k文本文件；导入.k文件并创建网格数据实例；S3创建网格结点标量数据实例，得到网格的离散化结果；S4设置如下参数：迭代时间步步长、初始条件、边界条件以及燃面推移速度；S5计算当前时间步网格结点标量梯度，更新网格结点标量数据；S6计算dt时间内燃烧消耗的固体推进剂药量，更新内弹道参数；S7根据网格标量梯度、时间步长与燃速进行时间推进更新。2.如权利要求1所述的一种基于物质点法的固体推进剂燃面推移方法，其特征在于，所述隐式函数标量根据输运方程描述的物理过程进行赋值。标量没有实际的物理意义，仅用于表征当前空间结点的状态，即表征处于已燃烧区域内、在燃烧界面上、处于未燃烧区域内三种状态，因此可构造隐式函数如下式所示：式子中，Ω
‑
表示封闭空间内侧，表示封闭空间边界，Ω
+
表示封闭空间外侧，表示物质点在空间计算域的坐标。3.如权利要求1或2所述的一种基于物质点法的固体推进剂燃面推移方法，其特征在于，所述S2中，通过网格划分工具对固体推进剂进行网格划分，具体为：根据固体推进剂装药的几何模型，通过建模工具在装药的几何空间内划分网格生成离散网格结点。4.如权利要求1所述的一种基于物质点法的固体推进剂燃面推移方法，其特征在于，所述S4中，设置初始条件与边界条件，包括：根据初始燃面的空间分布，对网格结点上的标量按照下式进行初始化，并设置相应的边界条件：式子中，Ω
‑
表示封闭空间内侧，表示封闭空间边界，Ω
+
表示封闭空间外侧，表示物质点在空间计算域的坐标。5.如权利要求1、2或4所述的一种基于物质点法的固体推进剂燃面推移方法，其特征在于，所述S5中，计算当前时间步网格节点标量梯度时，根据固体推进剂的真实燃烧特性，应遵循以下准则：固体推进剂燃面只能从已燃烧区域向未燃烧区域推移；
已燃烧区域不可能再次转变为未燃烧区域；已燃烧区域即标...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛钰森，姜毅，孙瑞阳，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：