一种热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法技术

本发明专利技术属于航天发动机技术领域，涉及一种热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法，1)读取数据并对仿真区域进行网格划分；2)利用爆震燃烧非定常模拟得到粒子状态分布参数和气动力推力；3)将粒子状态分布参数作为初始输入条件，利用粒子网格单元和蒙特卡洛碰撞方法，模拟得到热力学分布参数以及电磁推力；4)将气动力推力和电磁推力求和，得到发动机的推力。本发明专利技术采用弱耦合模拟方法，实现热电磁复合场下的氢氧混合气体动力学模拟，为复杂场环境下的粒子动力学数值模拟提供参考。境下的粒子动力学数值模拟提供参考。境下的粒子动力学数值模拟提供参考。

【技术实现步骤摘要】
一种热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法


[0001]本专利技术属于航天发动机
，具体涉及一种热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法。

技术介绍

[0002]随着新型空间探索任务的相继开展，对航天发动机的性能要求越来越高。众所周知，当前航天发动机可划分为化学推进和电推进两种类型；其中，化学推进主要依靠工质化学反应释放的热量转化成工质向后的动能进而产生推力，特点是推力较大但比冲较小；而电推进的工质动能是依赖电能转化而来，相对于化学推进而言，电推进的比冲大幅提升，但推力较小。
[0003]航天发动机在实际应用中，为了支撑某些特殊空间任务的顺利开展，需要同时兼顾发动机的推力与比冲性能，因而出现一些涉及多种物理场复合作用的新型发动机技术概念，以获得更高的推力与比冲。
[0004]现阶段，在航天发动机研发过程中，为了能很好的体现出物理场复合作用对发动机性能的影响，除了开展硬件研制与实验验证以外，采用数值模拟方法探究发动机工作机理，并辅助新技术研发成为研究者们关注的热点课题。当前，针对单纯化学推进或电推进的仿真研究已进行的非常深入，但是对于多种物理场作用的新型发动机技术，开展的动力学仿真研究十分欠缺，相应的仿真方法也很不成熟，使得模拟较难实现。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种热电磁复合场下氢氧混合气体动力学模拟方法，采用弱耦合模拟方法，实现热电磁复合场下的氢氧混合气体动力学模拟，为复杂场环境下的粒子动力学数值模拟提供参考。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法，包括以下步骤：
[0008]1)读取网格数据、边界数据、初场数据、热力学反应数据、压强数据、温度数据、粒子密度数据、速度数据以及组分分布数据；并对仿真区域进行网格划分；
[0009]2)将步骤1)读取的所有数据作为输入，对发动机内的氢氧爆震燃烧反应进行非定常模拟，得到粒子状态分布参数和气动力推力；
[0010]3)将步骤2)的粒子状态分布参数作为初始输入条件，利用粒子网格单元和蒙特卡洛碰撞方法，模拟发动机内部等离子体流动规律，得到热力学分布参数以及电磁推力；
[0011]4)将步骤2)的气动力推力和步骤3)的电磁推力求和，得到发动机的推力。
[0012]进一步的，所述步骤2)的具体过程是：
[0013]2.1)对步骤1)读取的所有数据进行初始化，为仿真区域的每个网格赋初值；
[0014]2.2)求解氢氧爆震燃烧过程中氢氧化学反应动力学的可压缩方程组，得到密度分布参数、粒子速度分布参数、压强分布参数、总能分布参数、组分分布参数以及温度分布参
数；
[0015]2.3)根据上述得到的密度分布参数、粒子速度分布参数、压强分布参数、总能分布参数、组分分布参数以及温度分布参数，得到气动力推力F。
[0016]进一步的，所述步骤2.2)包括以下步骤：
[0017]2.2.1)设定计算时间，采用算子分裂方法，在一个时间步长内耦合求解可压缩方程组；
[0018]2.2.2)更新步骤1)读取的所有数据，并按照步骤2.1)处理后，进入下一时间步长按照步骤2.2.1)继续求解；直到设定的计算时间结束，输出最终的密度参数、速度参数、压强参数、温度参数以及组分分布参数。
[0019]进一步的，所述步骤2.2.1)中，可压缩方程组包括连续方程、动量方程、总能方程和组分方程；
[0020]所述连续方程为
[0021]所述动量方程为
[0022]所述总能方程为
[0023]所述组分方程为
[0024]其中：ρ表示粒子密度；t表示时间；u
i
表示沿方向的速度分量；u
j
表示沿方向的速度分量；x
j
表示沿方向的位移分量；x
i
表示沿方向的位移分量；τ
ij
表示粘性应力；E表示总能；p表示压强；q
j
表示热流；V
k,j
表示扩散速度；表示组分质量净生成速率；Y
k
表示第k个组分的质量分数。
[0025]进一步的，所述步骤2.2.1)可压缩方程组的求解方法是：采用有限体积法分别对连续方程、动量方程和总能方程在网格上进行积分离散，然后求解；采用分数步法将组分方程分解成常微分方程和无源项的偏微分方程，然后求解。
[0026]进一步的，所述步骤2.3)中，所述气动力推力F的计算公式为：
[0027][0028]其中：P3表示爆震燃烧压强；P1表示燃烧室初始压强；U爆震波波速；V表示燃烧室体积；f表示重复频率；K表示经验常数，一般取5。
[0029]进一步的，所述步骤3)的具体过程是：
[0030]3.1)将步骤2.2.2)输出的密度参数、速度参数、压强参数、温度参数以及组分分布参数作为初始输入条件，根据模型参数设置求解麦克斯韦方程，得到仿真区域中电磁场分布；
[0031]3.2)采用牛顿运动方程，求解宏粒子在上述电磁场分布下的运动位置和运动速
度：
[0032]3.3)采用蒙特卡洛方法对粒子间碰撞进行处理，得到一个计算时间步长后粒子动力学分布参数，然后进入迭代循环，直至计算达到稳定，将最后一次计算的粒子动力学分布参数作为输出；
[0033]3.4)根据输出的粒子动力学分布参数分别计算得到的数密度分布、电场分布参数、电磁分布参数，同时求解得出电磁推力T。
[0034]进一步的，所述步骤3.1)中，麦克斯韦方程为：
[0035][0036]其中：表示矢量偏导算符；H表示磁场强度矢量；J表示电流密度矢量；D表示电位移矢量；E1表示电场强度矢量；B表示磁感应强度矢量。
[0037]进一步的，所述步骤3.2)中，所述牛顿运动方程为：
[0038][0039]其中：v表示粒子的速度；m表示粒子的质量；e表示电子电量；x表示位移矢量。
[0040]进一步的，所述步骤3.4)中，电磁推力T的计算公式为：
[0041][0042]其中：B
θ
表示磁感应强度分量；j
r
表示径向电流密度分量；j
z
表示轴向电流密度分量。
[0043]本专利技术的有益效果：
[0044]1、本专利技术采用爆震燃烧非定常模拟与等离子体全粒子模拟的弱耦合方法，首先利用有限体积法对可压缩方程组进行离散求解，实现对氢氧爆震燃烧的非定常模拟；然后将求解的燃烧室压强、温度、粒子组分等参数分布结果作为等离子体全粒子模拟的初始条件，应用PIC/MCC方法对电磁场作用下的氢氧混合气体动力学进行模拟，能够实现热电磁复合场下的氢氧混合气体动力学模拟研究。
[0045]2、本专利技术提供的热电磁复合场下氢氧混合气的动力学弱耦合模拟方法，综合考虑热电磁复合场对粒子动力学的影响，在合理范围内化繁为简，容本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：1)读取网格数据、边界数据、初场数据、热力学反应数据、压强数据、温度数据、粒子密度数据、速度数据以及组分分布数据；并对仿真区域进行网格划分；2)将步骤1)读取的所有数据作为输入，对发动机内的氢氧爆震燃烧反应进行非定常模拟，得到粒子状态分布参数和气动力推力；3)将步骤2)的粒子状态分布参数作为初始输入条件，利用粒子网格单元和蒙特卡洛碰撞方法，模拟发动机内部等离子体流动规律，得到热力学分布参数以及电磁推力；4)将步骤2)的气动力推力和步骤3)的电磁推力求和，得到发动机的推力。2.根据权利要求1所述的热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤2)的具体过程是：2.1)对步骤1)读取的所有数据进行初始化，为仿真区域的每个网格赋初值；2.2)求解氢氧爆震燃烧过程中氢氧化学反应动力学的可压缩方程组，得到密度分布参数、粒子速度分布参数、压强分布参数、总能分布参数、组分分布参数以及温度分布参数；2.3)根据上述得到的密度分布参数、粒子速度分布参数、压强分布参数、总能分布参数、组分分布参数以及温度分布参数，得到气动力推力F。3.根据权利要求2所述的热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤2.2)包括以下步骤：2.2.1)设定计算时间，采用算子分裂方法，在一个时间步长内耦合求解可压缩方程组；2.2.2)更新步骤1)读取的所有数据，并按照步骤2.1)处理后，进入下一时间步长按照步骤2.2.1)继续求解；直到设定的计算时间结束，输出最终的密度参数、速度参数、压强参数、温度参数以及组分分布参数。4.根据权利要求3所述的热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤2.2.1)中，可压缩方程组包括连续方程、动量方程、总能方程和组分方程；所述连续方程为所述动量方程为所述总能方程为所述组分方程为其中：ρ表示粒子密度；t表示时间；u
i
表示沿方向的速度分量；u
j
表示沿方向的速度分量；x
j
表示沿方向的位移分量；x
i
表示沿方向的位移分量；τ
ij
表示粘性应力；E表示总能；p表示压强；q
j
表示热流；V
k,j
表示扩...

【专利技术属性】
技术研发人员：金蔚，王恒通，梁秀芳，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：