铝颗粒点火燃烧的数值模拟方法、装置、设备和介质制造方法及图纸

本申请属于数值模拟技术领域，涉及铝颗粒点火燃烧的数值模拟方法、装置、设备和介质。方法包括：根据铝颗粒燃烧过程，得到控制变量，构建气相控制变量输运方程；考虑气相总焓变化，改变氧化剂侧和燃料侧的温度，对一维对冲火焰的气相温度方程中的化学反应源项施加修正因子，并根据气相反应机理，求解一维气相对冲火焰，得到稳态数值解，建立四维化学反应数据库；流场初始化，求解气相控制变量输运方程，得到控制变量的当前值，对四维化学反应数据库进行插值查表，得到气相的状态参数；当气相的状态参数达到预设的条件时，得到固体燃料动力导弹燃烧室内气相的热物理量。本方法能够提高数值模拟的速度。模拟的速度。模拟的速度。

【技术实现步骤摘要】
铝颗粒点火燃烧的数值模拟方法、装置、设备和介质


[0001]本申请涉及数值模拟
，特别是涉及一种铝颗粒点火燃烧的数值模拟方法、装置、设备和介质。

技术介绍

[0002]固体燃料动力导弹具有结构简单、可靠性高、作战反应快等优点广泛应用于军事战场。固体推进剂的燃烧放热过程很大程度上决定了发动机的性能，因此一直是研究热点。在各种类型的固体推进剂中，以铝为代表的金属添加剂始终扮演着重要角色，加入铝颗粒不仅可以提高推进剂的能量密度和发动机的比冲，其燃烧产生的凝相物质还可以抑制推进系统的不稳定燃烧。
[0003]数值仿真作为研究固体燃料动力导弹燃烧室内铝颗粒点火燃烧过程的重要手段，可以获得铝颗粒燃烧过程中颗粒状态参数和周围气相流场状态参数的变化规律，相比实验观测手段具有研究周期短、成本低等优点。目前在数值仿真中考虑详细化学反应机理需要求解大量的耦合偏微分方程，计算速度较慢，因此，这种方法在针对工业尺度燃烧室的研究中是不现实的。
[0004]为了减小求解化学反应机理的计算量，通常可以采用简化反应机理、总包反应和化学建表法等方法。前两种方法由于忽略或者部分简化了化学反应机理，导致计算精度降低，无法准确预示固体燃料燃烧室内点火、熄火及火焰稳定等非稳态过程。化学建表法通过预处理的方法，将描述化学反应的标量如温度、组分浓度等信息存储在表格中，在之后的数值模拟中仅需求解控制变量的输运方程，并通过对控制变量插值查表即可得到温度等信息，而不需要求解详细的化学反应机理。因此，可在考虑详细化学反应动力学情况下大幅减小数值模拟的计算成本。化学建表法最初被应用于气相燃烧的研究中，随后逐渐拓展至喷雾燃烧。与喷雾燃烧相比，铝颗粒点火燃烧过程更加复杂，包括复杂的表面化学反应、强烈的热辐射损失等，导致传统化学建表法无法适用于含铝颗粒的固体燃料动力导弹燃烧室的仿真研究。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种铝颗粒点火燃烧的数值模拟方法、装置、设备和介质，能够在考虑详细化学反应机理的条件下提高固体燃料导弹动力系统内流场的计算速度，并提高数值模拟的速度。
[0006]铝颗粒点火燃烧的数值模拟方法，包括：
[0007]根据铝颗粒燃烧过程中气相的原子混合状态、气相的热状态以及反应进程，得到铝颗粒燃烧过程的控制变量，构建铝颗粒在空气中燃烧的气相控制变量输运方程；
[0008]考虑气相总焓变化，改变氧化剂侧和燃料侧的温度，对一维对冲火焰的气相温度方程中的化学反应源项施加修正因子，并根据气相反应机理，求解一维气相对冲火焰，得到稳态数值解；通过坐标变换，建立控制变量空间内的四维化学反应数据库；
[0009]流场初始化，获取初始化流场的初始气相热物理量，根据铝颗粒点火燃烧子模型，求解气相控制变量输运方程，得到控制变量的当前值；
[0010]根据控制变量的当前值，对四维化学反应数据库进行插值查表，得到气相的状态参数；
[0011]当气相的状态参数达到预设的条件时，得到当前气相热物理量，以当前气相热物理量为固体燃料动力导弹燃烧室内气相的热物理量。
[0012]在一个实施例中，根据铝颗粒燃烧过程中气相的原子混合状态、气相的热状态以及反应进程，得到铝颗粒燃烧过程的控制变量包括：
[0013]将气相中的Al原子视为来自燃料侧的原子，气相中的O原子与N原子视为来自氧化剂侧的原子，则氧化剂侧的原子构成可由X唯一确定：
[0014][0015]式中，X为气相中氧原子的质量分数占比，Y
O
为O原子的质量分数，Y
N
为N原子的质量分数；
[0016]燃料侧的组分为Al原子，则表述燃料原子与氧化剂原子混合过程的混合分数Z可表示为：
[0017][0018]式中，Z为气相中铝原子的质量分数占比，Y
Al
为Al原子的质量分数，Y
Al,OX
为氧化剂侧的铝原子的质量分数，Y
Al,f
为燃料侧的铝原子的质量分数；其中，Z＝1对应燃料侧，Z＝0对应氧化剂侧；
[0019]在确定气相的热状态也就是确定其总焓时，引入归一化的总焓：
[0020][0021]式中，h
norm
为归一化的总焓，h为气体能量方程求解得到的总焓，h
min
(Z,X)为当前混合状态下化学反应数据库中对应总焓的最小值，h
max
(Z,X)为当前混合状态下化学反应数据库中对应总焓的最大值；
[0022]从反应进程的角度模化铝颗粒燃烧过程中气相的反应状态，引入反应进度变量：
[0023][0024]式中，Y
c
为反应进度变量，为Al2O3(1)的质量分数，为Al2O的质量分数，Y
AlO
为AlO的质量分数；
[0025]将反应进度变量进行归一化处理得到归一化的反应进度变量：
[0026][0027]式中，C为归一化的反应进度变量，Y
cmin
(Z,X,h
norm
)为当前状态下对应的未归一化的反应进度变量的最小值，Y
cmax
(Z,X,h
norm
)为当前状态下对应的未归一化的反应进度变量的最大值；
[0028]以X、Z、h
norm
和C为铝颗粒燃烧过程的控制变量。
[0029]在一个实施例中，构建铝颗粒在空气中燃烧的气相控制变量输运方程包括：
[0030]根据控制变量，构建层流条件下气相铝颗粒在空气中燃烧的气相控制变量输运方程：
[0031][0032][0033][0034][0035]式中，ρ为密度，t为时间，u
j
为气相速度在j方向上的分量，x
j
为j方向，D
Z
为第二变量扩散系数，x
i
为i方向，为第二变量的源项，D
X
为第一变量的扩散系数，为第一变量的源项，为反应进度变量的扩散系数，为反应进度变量的源项，α为热扩散系数，为由于相间传热引起的气相总焓源项，为由于辐射换热引起的气相总焓源项。
[0036]在一个实施例中，改变氧化剂侧和燃料侧的温度包括：
[0037]氧化剂侧的入口温度：
[0038]T
ox
＝T
Air,min
+h
norm
*(T
Air,max
‑
T
Air,min
)
ꢀꢀꢀ
(14)
[0039]式中，T
ox
为氧化剂侧的入口温度，T
Air,min
为计算域内氧化剂入口温度最小值，T
Air,max
为计算域内氧化剂入口温度最大值；
[0040]燃料侧的入口温度：
[0041]T
f
＝T
Al,min
+h
norm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.铝颗粒点火燃烧的数值模拟方法，其特征在于，包括：根据铝颗粒燃烧过程中气相的原子混合状态、气相的热状态以及反应进程，得到铝颗粒燃烧过程的控制变量，构建铝颗粒在空气中燃烧的气相控制变量输运方程；考虑气相总焓变化，改变氧化剂侧和燃料侧的温度，对一维对冲火焰的气相温度方程中的化学反应源项施加修正因子，并根据气相反应机理，求解一维气相对冲火焰，得到稳态数值解；通过坐标变换，建立控制变量空间内的四维化学反应数据库；流场初始化，获取初始化流场的初始气相热物理量，根据铝颗粒点火燃烧子模型，求解气相控制变量输运方程，得到控制变量的当前值；根据控制变量的当前值，对四维化学反应数据库进行插值查表，得到气相的状态参数；当气相的状态参数达到预设的条件时，得到当前气相热物理量，以当前气相热物理量为固体燃料动力导弹燃烧室内气相的热物理量。2.根据权利要求1所述的铝颗粒点火燃烧的数值模拟方法，其特征在于，根据铝颗粒燃烧过程中气相的原子混合状态、气相的热状态以及反应进程，得到铝颗粒燃烧过程的控制变量包括：将气相中的Al原子视为来自燃料侧的原子，气相中的O原子与N原子视为来自氧化剂侧的原子，则氧化剂侧的原子构成可由X唯一确定：式中，X为气相中氧原子的质量分数占比，Y
O
为O原子的质量分数，Y
N
为N原子的质量分数；燃料侧的组分为Al原子，则表述燃料原子与氧化剂原子混合过程的混合分数Z可表示为：式中，Z为气相中铝原子的质量分数占比，Y
Al
为Al原子的质量分数，Y
Al,OX
为氧化剂侧的铝原子的质量分数，Y
Al,f
为燃料侧的铝原子的质量分数；其中，Z＝1对应燃料侧，Z＝0对应氧化剂侧；在确定气相的热状态也就是确定其总焓时，引入归一化的总焓：式中，h
norm
为归一化的总焓，h为气体能量方程求解得到的总焓，h
min
(Z,X)为当前混合状态下化学反应数据库中对应总焓的最小值，h
max
(Z,X)为当前混合状态下化学反应数据库中对应总焓的最大值；从反应进程的角度模化铝颗粒燃烧过程中气相的反应状态，引入反应进度变量：式中，Y
c
为反应进度变量，为Al2O3(1)的质量分数，为Al2O的质量分数，Y
AlO
为AlO的质量分数；将反应进度变量进行归一化处理得到归一化的反应进度变量：
式中，C为归一化的反应进度变量，Y
cmin
(Z,X,h
norm
)为当前状态下对应的未归一化的反应进度变量的最小值，Y
cmax
(Z,X,h
norm
)为当前状态下对应的未归一化的反应进度变量的最大值；以X、Z、h
norm
和C为铝颗粒燃烧过程的控制变量。3.根据权利要求2所述的铝颗粒点火燃烧的数值模拟方法，其特征在于，构建铝颗粒在空气中燃烧的气相控制变量输运方程包括：根据控制变量，构建层流条件下气相铝颗粒在空气中燃烧的气相控制变量输运方程：根据控制变量，构建层流条件下气相铝颗粒在空气中燃烧的气相控制变量输运方程：根据控制变量，构建层流条件下气相铝颗粒在空气中燃烧的气相控制变量输运方程：根据控制变量，构建层流条件下气相铝颗粒在空气中燃烧的气相控制变量输运方程：式中，ρ为密度，t为时间，u
j
为气相速度在j方向上的分量，x
j
为j方向，D
Z
为第二变量的扩散系数，x
i
为i方向，为第二变量的源项，D
X
为第一变量的扩散系数，为第一变量的源项，为反应进度变量的扩散系数，为反应进度变量的源项，α为热扩散系数，为由于相间传热引起的气相总焓源项，为由于辐射换热引起的气相总焓源项。4.根据权利要求3所述的铝颗粒点火燃烧的数值模拟方法，其特征在于，改变氧化剂侧和燃料侧的温度包括：氧化剂侧的入口温度：T
ox
＝T
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张家瑞，马立坤，夏智勋，黄利亚，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：