一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法与流程

1.本发明属于运载火箭领域，涉及一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法。


背景技术：

2.固液捆绑火箭固体助推发动机中，含有大量的固体颗粒，影响火箭底部气流的流场分布，在助推与主发动机火焰间造成排气交叉效应和附加干扰，加剧固体发动机羽流和液体芯级羽流间的相互作用。现有的成熟火箭都为单芯级液体火箭或者液体捆绑火箭，其中，不涉及气固两相喷流，可采用纯气相连续流仿真方式。
3.固体助推发动机的颗粒相在燃烧室的燃烧过程复杂，影响因素众多，颗粒相的直径分布、流量分布、速度和温度分布都比较复杂，目前并没有针对固液捆绑火箭中的两相喷流的模拟方法，也不存在成熟技术实现对颗粒相加载状态进行梳理、简化，为两相流仿真分析提供输入。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法，给出了在固体发动机两相流仿真分析中喷流入口处颗粒相的加载方法。
5.本发明解决技术的方案是：
6.一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法，包括：
7.将喷管喉部作为颗粒入口，并且将喉部分成多个小区域作为颗粒相入口；
8.确定各小区域的颗粒相加载参数，实现对各小区域的颗粒相加载；最终实现整个喷管喉部的颗粒相加载。
9.在上述的一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法，所述喷管的喉部为圆形通孔或椭圆通孔；分成多个小区域的方法为：
10.喉部的中心为圆形小区域；从中心沿径向向外分成多个环状小区域。
11.在上述的一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法，圆形小区域的半径与各环状小区域的宽度均相同。
12.在上述的一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法，颗粒相加载参数包括颗粒相摩尔质量c
mr
、颗粒相平均直径d
mr
、颗粒相平均直径分布规律、颗粒相温度、颗粒相速度c。
13.在上述的一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法，颗粒相摩尔质量的确定方法为：
14.颗粒相摩尔质量c
mr
从圆形小区域沿径向向外方向呈线性分布；在喉部轴线上流量最高，沿径向向外逐渐降低；各小区域的颗粒相摩尔质量c
mr
按照发动机实际流量数据进行加载。
15.在上述的一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法，颗粒相平均直径d
mr
的确定方法为：
16.d
mr
＝1.38d
0.2932
(1-exp(-0.833
×
10-8cmr
pmτ))
17.式中，d为喷管喉部直径；
18.c
mr
是该小区域颗粒的摩尔质量；
19.pm是发动机燃烧室的压强；
20.τ是颗粒的驻留时间。
21.在上述的一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法，颗粒驻留时间τ的计算方法为：
22.τ＝ρ
cvc
/sm23.式中，ρc为燃气密度；
[0024]vc
为燃烧室的容积；
[0025]
sm为燃气质量流率。
[0026]
在上述的一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法，颗粒相平均直径分布规律的确定方法为：
[0027]
在喉部加载的颗粒相直径基于平均直径呈正太分布，表示为：
[0028][0029]
式中，d为参考颗粒的粒径；
[0030]ydr
为比参考颗粒粒径d大的颗粒的质量分数；
[0031]dmr
为平均粒径；
[0032]
n为传播系数。
[0033]
在上述的一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法，颗粒相温度的确定方法为：
[0034]
颗粒相温度取颗粒的熔点温度。
[0035]
在上述的一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法，颗粒相速度c为发动机温度的音速，具体为：
[0036][0037]
式中，k为发动机喷流的气体比热比；
[0038]
r为发动机喷流的气体常数；
[0039]
t为发动机喷流的温度。
[0040]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0041]
(1)本发明创新提供了从中心圆形小区域到环形小区域的分区方法，准确模拟固液捆绑火箭中的两相喷流，对颗粒相的加载区域进行精确的复合实际情况的划分；
[0042]
(2)本发明针对颗粒相的摩尔质量、直径、流量分布、速度和温度分布都进行了设计，考虑了全部固体助推发动机的颗粒相在燃烧室复杂的燃烧过程，众多的影响因素，加载结果精确；
[0043]
(3)本发明对各小区域的颗粒相加载状态进行梳理、简化，为两相流仿真分析提供输入。
附图说明
[0044]
图1为本发明颗粒相加载流程图；
[0045]
图2为本发明喉部分成多个小区域示意图。
具体实施方式
[0046]
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
[0047]
本发明提供了一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法，固体助推发动机的颗粒相在燃烧室的燃烧过程复杂，影响因素众多，颗粒相的直径分布、流量分布、速度和温度分布都比较复杂。本发明提供了一种固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法，对其中的颗粒相的加载方式进行明确，对颗粒相加载状态进行梳理、简化，为两相流仿真分析提供输入。
[0048]
固液捆绑火箭两相喷流颗粒相加载方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
[0049]
步骤一、将喷管喉部作为颗粒入口，并且将喉部分成多个小区域作为颗粒相入口；分成多个小区域的方法为：所述喷管的喉部为圆形通孔或椭圆通孔；喉部的中心为圆形小区域；从中心沿径向向外分成多个环状小区域。圆形小区域的半径与各环状小区域的宽度均相同。
[0050]
步骤二、确定各小区域的颗粒相加载参数，实现对各小区域的颗粒相加载；最终实现整个喷管喉部的颗粒相加载。
[0051]
颗粒相加载参数包括颗粒相摩尔质量c
mr
、颗粒相平均直径d
mr
、颗粒相平均直径分布规律、颗粒相温度、颗粒相速度c。
[0052]
颗粒相摩尔质量的确定方法为：
[0053]
颗粒相摩尔质量c
mr
从圆形小区域沿径向向外方向呈线性分布；在喉部轴线上流量最高，沿径向向外逐渐降低；各小区域的颗粒相摩尔质量c
mr
按照发动机实际流量数据进行加载。
[0054]
颗粒相平均直径d
mr
的确定方法为：
[0055]dmr
＝1.38d
0.2932
(1-exp(-0.833
×
10-8cmr
pmτ))
[0056]
式中，d为喷管喉部直径；
[0057]cmr
是该小区域颗粒的摩尔质量；
[0058]
pm是发动机燃烧室的压强；
[0059]
τ是颗粒的驻留时间。
[0060]
颗粒驻留时间τ的计算方法为：
[0061]
τ＝ρ
cvc
/sm[0062]
式中，ρc为燃气密度；
[0063]vc
为燃烧室的容积；
[0064]
sm为燃气质量流率。
[0065]
颗粒相平均直径分布规律的确定方法为：
[0066]
在喉部加载的颗粒相直径基于平均直径呈正太分布，表示为：
[0067][0068]
式中，d为参考颗粒的粒径；
[0069]ydr
为比参考颗粒粒径d大的颗粒的质量分数；
[0070]dmr
为平均粒径；
[0071]
n为传播系数。
[0072]
颗粒相温度的确定方法为：
[0073]
颗粒相温度取颗粒的熔点温度。
[0074]
颗粒相速度c为发动机温度的音速，具体为：
[0075][0076]
式中，k为发动机喷流的气体比热比；
[0077]
r为发动机喷流的气体常数；
[0078]
t为发动机喷流的温度。
[0079]
实施例
[0080]
颗粒相从喷管喉部加载进入流场区域。为细化考虑喉部不同位置的颗粒相参数，将喉部分成z1到z4等4个小区域来分别进行颗粒相加载，如图2所示。
[0081]
以z1区域为例，根据颗粒平均计算公式：
[0082]dmr
＝1.38d
0.2932
(1-exp(-0.833
×
10-8cmr
pmτ))
[0083]
其中：d是喷管喉部直径，为300mm；c
mr
是喉部当地位置颗粒的摩尔质量，为18％；pm是燃烧室压强，为6.3mpa；τ是颗粒在燃烧室中的驻留时间，τ＝ρ
cvc
/sm，ρc为燃气密度，vc为燃烧室的容积，sm为燃气质量流率，得到驻留时间为0.6s。最终求得当地颗粒的平均直径为60.9um。
[0084]
在确定当地平均颗粒直径后，颗粒的分布形式满足正太分布，采用形式，其中：y
dr
为比指定粒径d大的颗粒的质量分数；d
mr
为平均粒径；n为传播系数，取10。
[0085]
颗粒在燃烧室中完成了凝聚，在燃烧室中以液滴存在，在喷管中温度下降逐渐变为固相，颗粒相相变状态复杂，喉部入口处颗粒处在液相和固相的温区，温度取颗粒的熔点温度2300k。
[0086]
喷管喉部的颗粒相速度取当地的音速，计算公式如下：
[0087][0088]
其中，喷流的喷流比热比为k＝1.16，气体常数r＝320j/kg
·
k320j/kg，当地的喷流速度为924m/s。
[0089]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。