级间分离载荷及喷焰状态预估方法及装置与流程

技术特征：
1.一种级间分离载荷及喷焰状态预估方法，其特征在于，包括：基于飞行器的分离条件，计算级间分离过程中的上面级分离载荷和下面级分离载荷；所述分离条件包括气动参数、质量参数和分离发动机工作参数中的至少一种；根据所述上面级分离载荷和所述下面级分离载荷，计算级间分离过程中上面级和下面级随时间变化的相对距离；根据所述分离条件和所述相对距离，确定喷焰瞬态流场的计算区域；确定每一个计算区域内喷焰粒子的位置变化和状态变化，并根据每一个计算区域内喷焰粒子的位置变化和状态变化，确定每一个计算区域内随时间变化的喷焰状态。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于飞行器的分离条件，计算级间分离过程中的上面级分离载荷和下面级分离载荷，包括：基于分离载荷的变化规律，将级间分离过程按时间顺序划分为第一分离阶段、第二分离阶段和第三分离阶段，并分别计算每一个分离阶段随时间变化的上面级分离载荷和下面级分离载荷；所述第一分离阶段为级间段流入燃气大于流出燃气的阶段，所述第二分离阶段为级间段流出燃气大于流入燃气的阶段，所述第三分离阶段为燃气流直接冲击下面级前端面的阶段；所述根据所述上面级分离载荷和所述下面级分离载荷，计算级间分离过程中上面级和下面级随时间变化的相对距离，包括：根据每一个分离阶段随时间变化的上面级分离载荷和下面级分离载荷，利用动力学方程计算每一个分离阶段上面级和下面级随时间变化的相对距离。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算每一个分离阶段随时间变化的上面级分离载荷和下面级分离载荷，包括：所述第一分离阶段和所述第二分离阶段随时间变化的上面级分离载荷和下面级分离载荷分别为：载荷分别为：载荷分别为：所述第三分离阶段随时间变化的上面级分离载荷和下面级分离载荷分别为：f1＝f
t
其中，f1、f2分别为上面级分离载荷和下面级分离载荷，d为分离面直径，p为所述第一分离阶段和所述第二分离阶段的压强，m0为初始气体质量，为随时间变化的上面级喷出燃气流量，c为中间参数，s(t)为随时间变化的分离距离，v
s
为级间段初始容积，k为燃气绝热指数，r为气体常数，t0为初始温度，f
t
为上面级发动机推力，p(s)为分离距离变换的射流
冲击压强；所述利用动力学方程计算每一个分离阶段上面级和下面级随时间变化的相对距离，包括：括：s＝s1 s2其中，s为每一个分离阶段上面级和下面级随时间变化的相对距离，s1、s2分别为上面级和下面级随时间变化的分离距离，f1、f2分别为上面级和下面级外形结构在指定飞行条件下受到的轴向气动力，m1、m2分别为上面级和下面级的质量。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定每一个计算区域内喷焰粒子的位置变化和状态变化，包括：针对每一个计算区域，均执行：确定当前计算区域内喷焰粒子的初始状态参数，并根据所述初始状态参数和迭代更新的时间步长，每隔所述时间步长对所述当前计算区域内喷焰粒子的位置变化和状态变化进行迭代更新。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述状态变化包括速度变化、温度变化、压强变化和密度变化中的至少一种；对所述当前计算区域内喷焰粒子的位置变化进行迭代更新，包括：每一次迭代更新后喷焰粒子的位置变化为s：s＝u(t)
·
δt；其中，u(t)为上一次迭代更新后喷焰粒子的速度，δt为所述时间步长；对所述当前计算区域内喷焰粒子的状态变化进行迭代更新，包括：当所述状态变化为速度变化时，每一次迭代更新后喷焰粒子的速度u(t δt)为：u(t δt)＝u(t) u
′
δu；其中，u
′
为湍流速度更新，所述湍流速度更新用于表征由于喷焰湍流脉动引起的速度变化量；δu为非平衡速度更新，所述非平衡速度更新用于表征由于喷焰粒子的流动参数和当地流动参数不一致引起的速度变化量；当所述状态变化为温度变化时，利用能量守恒方式，基于每一次迭代更新后喷焰粒子的速度变化带来的能量变化对喷焰粒子的温度进行更新；当所述状态变化为压强变化或密度变化时，基于每一次迭代更新后喷焰粒子的温度变化对喷焰粒子的压强和温度进行更新。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述非平衡速度更新为如下三个速度变化量中的任意一个速度变化量或至少两个速度变化量之和：由于喷焰粒子的压强与当地压强的差值引起的第一速度变化量、由于喷焰粒子的速度与当地速度的差值引起的第二速度变化量和由于喷焰粒子与壁面碰撞引起的第三速度变化量；所述第一速度变化量δu1为：其中，k
p
为压强差转换系数，取值范围为0～1；p
p
为喷焰粒子的压强，p
c
为当地压强，ρ
p
为喷焰粒子的密度；
所述第二速度变化量δu2为：其中，k
u
为速度差转换系数，取值范围为0～1；ρ
c
为当地密度，u
p
为喷焰粒子的速度，u
c
为当地速度；所述第三速度变化量δu3为：为：其中，β1为碰撞前喷焰粒子的速度与壁面间的夹角，β2为碰撞后喷焰粒子的速度与壁面间的夹角；k
a
为碰撞反射角系数，取值范围为0.15～1。7.根据权利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于，所述计算区域为：上面级级间、级间间隙、下面级级间、上面级弹体段、上面级空壳段、级间间隙外场段、下面级空壳段、下面级弹体段、下面级后部外场段或下面级后部段；和/或，将由若干个喷焰粒子形成的粒子微团确定为一个整体的喷焰粒子，利用该粒子微团执行所述确定每一个计算区域内喷焰粒子的位置变化和状态变化。8.一种级间分离载荷及喷焰状态预估装置，其特征在于，包括：载荷计算单元，用于基于飞行器的分离条件，计算级间分离过程中的上面级分离载荷和下面级分离载荷；所述分离条件包括气动参数、质量参数和分离发动机工作参数中的至少一种；距离计算单元，用于根据所述上面级分离载荷和所述下面级分离载荷，计算级间分离过程中上面级和下面级随时间变化的相对距离；计算区域确定单元，用于根据所述分离条件和所述相对距离，确定喷焰瞬态流场的计算区域；喷焰状态确定单元，用于确定每一个计算区域内喷焰粒子的位置变化和状态变化，并根据每一个计算区域内喷焰粒子的位置变化和状态变化，确定每一个计算区域内随时间变化的喷焰状态。9.一种计算设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行权利要求1-7中任一项所述的方法。

技术总结
本发明提供了一种级间分离载荷及喷焰状态预估方法及装置，通过将级间分离过程中的喷焰状态分为两部分进行计算，第一部分为级间分离过程中上面级和下面级随时间变化的相对距离的计算，第二部分为在确定相对距离的条件下，基于相对距离和分离条件确定出喷焰瞬态流场的计算区域，并利用喷焰粒子的位置变化和状态变化，统计各计算区域内随时间变化的喷焰状态。本方案充分考虑了分离条件、相对距离的变化及喷焰粒子的作用，能够有效反应级间分离分离过程的喷焰状态。另外，由于喷焰粒子是一次性释放的大量粒子，利用这些喷焰粒子的位置变化和状态变化预估出喷焰状态，无需通过不断释放粒子进行反复迭代处理，计算效率较高。计算效率较高。计算效率较高。


技术研发人员：包醒东 毛宏霞 王振华 刘铮 傅德彬 庞松健
受保护的技术使用者：北京环境特性研究所
技术研发日：2022.02.28
技术公布日：2022/5/17