一种固体燃料冲压发动机燃烧流场数值仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种固体燃料冲压发动机燃烧流场数值仿真方法，该方法的具体步骤为：首先进行燃气热力学计算，得到富燃燃气成分及各成分的质量分数；然后建立湍流模型，计算得到湍流应力项；其次建立富燃燃气各成分质量源项、氧化物质量源项和化学反应能量源项；然后建立气相燃烧模型，计算得到气相化学反应速率；最后将上述求解的数值均代入气相控制方程组，如果气相控制方程组收敛，则判定所有流场参数为最终结果，如果该气相控制方程组不收敛，对所有初始参数加松弛因子重新进行上述计算，直至该气相控制方程组收敛。采用该方法有效提高固体燃料冲压发动机燃烧流场的仿真精度。

A NUMERICAL SIMULATION METHOD FOR COMBUSTION FLOW FIELD OF Solid Fuel Ramjet

The invention discloses a numerical simulation method for combustion flow field of solid fuel ramjet. The specific steps of the method are as follows: firstly, the thermodynamic calculation of fuel gas is carried out to obtain the mass fraction of fuel-rich gas components and components; secondly, the turbulence model is established to calculate the turbulence stress term; secondly, the mass source term of fuel-rich gas components, the mass source term of oxide and the chemical reaction energy are established. The quantity source term; then the gas-phase combustion model is established to calculate the gas-phase chemical reaction rate; finally, the above-mentioned values are substituted for the gas-phase control equations. If the gas-phase control equations converge, all flow field parameters are determined to be the final results. If the gas-phase control equations do not converge, all initial parameters are re-calculated by adding relaxation factors until the gas-phase control equations converge. The governing equations converge. This method can effectively improve the simulation accuracy of solid fuel ramjet combustion flow field.

【技术实现步骤摘要】
一种固体燃料冲压发动机燃烧流场数值仿真方法
本专利技术涉及一种燃烧流场仿真方法，具体涉及一种固体火箭冲压发动机燃烧流场数值仿真方法。
技术介绍
数值仿真是固体燃料冲压发动机燃烧流动研究的重要手段，固体燃料冲压发动机燃烧流动仿真十分复杂，主燃室内固体燃料(即推进剂)分解产生富燃燃气，富燃燃气与流经主燃室的空气流进行燃烧化学反应，推进剂燃面附近气流的速度、密度、温度等参数会影响燃面温度进而影响燃气的生成，同样燃气生成后与空气反应反过来又会影响气流的参数，由于热分解的吸热和主流的热耗散，温度最终会达到平衡。对于固体燃料冲压发动机燃烧流场仿真，难点主要在于模拟推进剂燃面的质量源项和能量源项，由于所有源项的大小都与主流气体有关，因此燃面上每一点的源项都是不同的，需要单独计算。现有的固体燃料冲压发动机燃烧流场仿真方法见表1，其采用的模型包括基本方程、湍流模型、推进剂分解模型和气相燃烧模型；其中基本方程为雷诺平均N-S方程、湍流模型为带旋流修正的RNGk-ε模型、气相燃烧模型采用涡团耗散模型、推进剂分解模型基于Arrhenius定律，富燃燃气成分采用单一成分，无能量源项。表1现有仿真方法简表其存在的问题为：首先，富燃燃气的成分复杂，仅用一种成分不仅没有依据，并且也会和实际的情况差别较大，造成模拟的误差偏大。其次，固体推进剂的分解是要带走一些热量的，如果不考虑此部分能量损耗，会造成质量源项的数量不准确。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种固体燃料冲压发动机燃烧数值仿真方法，能够有效提高固体燃料冲压发动机燃烧流场的仿真精度。所述的固体燃料冲压发动机燃烧流场数值仿真方法，在对固体燃料冲压发动机燃烧流场进行数值仿真时，加入推进剂燃面的质量源项和能量源项；所述推进剂燃面的质量源项包括富燃燃气各成分的质量源项和氧化物质量源项；推进剂燃面的质量源项为：富燃燃气各成分的质量源项为：推进剂燃面的质量源项乘以富燃燃气各成分的质量分数；氧化物质量源项为：推进剂燃面的质量源项乘以单位质量推进剂消耗的氧化物质量，氧化物质量源项为负；推进剂燃面的能量源项为其中：A、Ea分别指前因子和活化能；R为通用气体常数，Tw为推进剂燃面的识别温度；AC为推进剂燃面的面积；ρf为推进剂密度，hv为推进剂分解或气化潜热，为推进剂燃速，cf为推进剂比热，T0为燃推进剂燃面的初始温度。其步骤为：步骤一：对推进剂进行燃烧热力学计算，得到所形成的富燃燃气的成分及各成分的质量分数、富燃燃气的温度；步骤二：建立湍流模型，计算燃烧流场的湍流应力；步骤三：建立推进剂燃面富燃燃气各成分的质量源项、氧化物质量源项和推进剂燃面的能量源项能量源项；步骤四：建立气相燃烧模型，计算燃烧流场的气相化学反应速率；步骤五：将步骤一至步骤四中计算得到的各参数以及所建立的推进剂燃面的质量源项和能量源项作为初始参数代入气相控制方程组，如果气相控制方程组收敛，则仿真结束；如果气相控制方程组不收敛，对所有初始参数加松弛因子后返回步骤一重新进行上述计算，直至气相控制方程组收敛。有益效果该方法中采用热力学计算得到富燃燃气成分和质量分数，采用Arrhenius定律计算固体推进剂分解的富燃燃气的质量源项和能量源项，与实际的燃烧过程更为接近，从而能够有效提高固体燃料冲压发动机燃烧仿真精度。附图说明图1本专利技术的固体燃料冲压发动机燃烧流场数值仿真方法流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术作进一步的详细说明。本实施例针提供一种固体燃料冲压发动机燃烧流场数值仿真方法，采用该方法能够有效提高固体燃料冲压发动机燃烧仿真精度。该数值仿真方法在FLUENT软件中实现，具体步骤为：步骤一：采用最小吉布斯自由能法对推进剂(即富燃燃料)进行燃烧热力学计算，得到富燃燃气的成分及各项成分的质量分数、富燃燃气的温度；步骤二：建立湍流模型，求解湍流应力；采用Realizablek-ε模型建立燃烧流场的湍流模型，求解燃烧流场的湍流应力；步骤三：建立富燃燃气源项：富燃燃气源项包括：推进剂燃面的质量源项和能量源项；其中推进剂燃面的质量源项为总质量源项，包括了富燃燃气各成分质量源项和氧化物质量源项。将步骤一中采用热力学计算得到的富燃燃气成分作为燃面生成的富燃料成分，燃面推移速率符合Arrhenius定律，即推进剂燃速其中：A、Ea分别是指前因子和活化能，A＝8.25×102m/s，Ea＝133539j/mol，R为通用气体常数，R＝8.31451j/(mol.k)，Tw为近推进剂燃面网格单元的识别温度。将AC×r作为一个燃面网格单元总的质量源项，其中AC为燃面网格单元在推进剂燃面上的面积，则推进剂燃面上该网格单元总的质量源项为获得推进剂燃面网格单元总的质量源项和富燃燃气各项成分的质量分数后，富燃燃气各成分的质量源项为总质量源项乘以各成分的质量分数；氧化物质量源项为总质量源项乘以单位质量推进剂消耗的氧化物质量，符号为负。燃烧室内气固分界面上气相与固相之间存在的能量守恒关系为α(T∞-Tw)＝ρfhvr+ρfrcf(Tw-T0)，其中：ρf为推进剂密度，hv为推进剂分解或气化潜热，cf为推进剂比热，T∞为近推进剂燃面主流温度，T0为推进剂燃面网格单元的初始温度。忽略辐射换热,将ρfhvr+ρfrcf(Tw-T0)作为燃面网格单元的能量源项，则燃面网格单元的富燃燃气的能量源项为步骤四：建立气相燃烧模型：气相燃烧模型采用涡团耗散模型，通过涡团耗散模型计算得到气相化学反应速率。步骤五：对步骤二到四的模型通过气相控制方程进行计算，包括：采用包含连续方程、动量方程、能量方程以及各组分的输运方程的控制方程的雷诺N-S方程组，作为整体框架对燃烧流场内流体的速度、温度、密度进行求解；将上述所有模型计算得到的参数作为初始参数带入气相控制方程组，如果气相控制方程组收敛，则计算结果为最终结果，如果方程组不收敛，对所有初始参数加松弛因子后返回步骤一的计算，重复步骤全过程，循环往复上述步骤，直至方程收敛。综上，该方法能够模拟固体燃料冲压发动机燃烧的定常全过程。综上所述，以上仅为本专利技术的较佳实施例而已，并非用于限定本专利技术的保护范围。凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固体燃料冲压发动机燃烧流场数值仿真方法，其特征在于：在对固体燃料冲压发动机燃烧流场进行数值仿真时，加入推进剂燃面的质量源项和能量源项；所述推进剂燃面的质量源项包括富燃燃气各成分的质量源项和氧化物质量源项；推进剂燃面的质量源项为：

【技术特征摘要】
1.一种固体燃料冲压发动机燃烧流场数值仿真方法，其特征在于：在对固体燃料冲压发动机燃烧流场进行数值仿真时，加入推进剂燃面的质量源项和能量源项；所述推进剂燃面的质量源项包括富燃燃气各成分的质量源项和氧化物质量源项；推进剂燃面的质量源项为：富燃燃气各成分的质量源项为：推进剂燃面的质量源项乘以富燃燃气各成分的质量分数；氧化物质量源项为：推进剂燃面的质量源项乘以单位质量推进剂消耗的氧化物质量，氧化物质量源项为负；推进剂燃面的能量源项为其中：A、Ea分别指前因子和活化能；R为通用气体常数，Tw为推进剂燃面的识别温度；AC为推进剂燃面的面积；ρf为推进剂密度，hv为推进剂分解或气化潜热，为推进剂燃速，cf为推进剂比热，T0为燃推进剂燃面的初始温度。2.如权利要求1所述的固体燃料冲压发动机燃烧流场数值仿真方法，其特征在于：步骤一：对推进剂进行燃烧热力学计算，得到所形成的富燃燃气的成分及各成分的质量分数、富燃燃气的温度；步骤二：建立湍流模型，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖谋荣，刘杰，何勇攀，李海波，闫红建，梁霄，
申请(专利权)人：北京动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11