一种基于大型方程组求解的液体火箭发动机工况调整方法与流程

1.本发明涉及液体火箭发动机，具体涉及一种基于大型方程组求解的液体火箭发动机工况调整方法。


背景技术：

2.液体火箭发动机能够通过调节流路流阻来实现工况变化，流路流阻与工况间的对应关系一般通过静态调整计算获得。液体火箭发动机是非常复杂的动力学系统，其调整计算模型中会包含数百个变量的非线性方程组，由于这种大型方程组中往往会包含二次项、条件判断等，当初始值与正确的求解结果间相差较大时，液体火箭发动机计算模型的大型方程组可能会出现多解或求解发散的情况，导致无法正确求解，进而无法对液体火箭发动机的工况进行准确及时的调整。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决当初始值与正确的求解结果间相差较大时，液体火箭发动机计算模型的大型方程组出现无法正确求解，导致无法对液体火箭发动机的工况进行准确及时调整的技术问题，而提供一种基于大型方程组求解的液体火箭发动机工况调整方法。
4.为了实现上述目的，本发明提供的技术解决方案为：
5.一种基于大型方程组求解的液体火箭发动机工况调整方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
6.1】建立液体火箭发动机工况调整计算模型
7.根据发动机组件特性和物理连接关系，建立液体火箭发动机工况调整计算模型；所述液体火箭发动机工况调整计算模型为大型非线性方程组；
8.2】输入初始值
9.将100％推力工况中的参数作为初始值，输入步骤1】建模得到的大型非线性方程组中；
10.3】设置待求解工况，并对大型非线性方程组进行求解
11.将液体火箭发动机工况调整目标作为待求解工况，在输入了初始值的大型非线性方程组中设置待求解工况的参数，并对大型非线性方程组进行求解；
12.4】获得发动机工况调整目标的对应参数
13.当大型非线性方程组的求解顺利进行时，求解完成，将当前求解结果作为发动机工况调整目标的对应参数；否则，在当前待求解工况与100％推力工况之间增加一个中间推力工况作为辅助的待求解工况，并返回步骤3】，以辅助的待求解工况作为发动机工况调整目标，对大型非线性方程组求解，直至求解顺利进行，得到当前辅助的待求解工况的参数；将当前辅助的待求解工况的参数作为初始值输入大型非线性方程组，将液体火箭发动机待求解工况作为工况调整目标，重新对大型非线性方程组求解，以此类推，直至求解顺利进行，将当前求解结果作为发动机工况调整目标的对应参数；
14.5】根据步骤4】获得的发动机工况调整目标的对应参数，对液体火箭发动机进行工况调整。
15.进一步地，步骤4】中，大型非线性方程组的求解顺利进行具体为：大型非线性方程组的求解结果正常，未出现求解速度慢、多解或发散的问题。
16.进一步地，步骤1】中，建立液体火箭发动机工况调整计算模型具体为：采用modelica语言，建立液体火箭发动机工况调整计算模型。
17.进一步地，步骤2】具体为：
18.2.1】对步骤1】建模得到的大型非线性方程组进行解耦，确定大型非线性方程组中的方程分组以及各分组的求解顺序；
19.2.2】通过数值求解算法确定待输入初始值的参数类别；
20.2.3】根据步骤2.2】确定的待输入初始值的参数类别，将100％推力工况中对应的参数作为初始值，输入大型非线性方程组中。
21.进一步地，步骤3】中，对大型非线性方程组进行求解具体为：根据步骤2.1】确定的方程分组以及各分组的求解顺序，对大型非线性方程组进行求解。
22.本发明相比于现有技术的有益效果为：
23.1、本发明提供的一种基于大型方程组求解的液体火箭发动机工况调整方法，在非设计工况下初始值未知时，可以通过多次迭代使非线性方程组收敛，在大型非线性方程组的求解过程中，在求解工况与100％推力工况之间增加一个中间推力工况作为辅助的待求解工况，并将上一步得到的辅助待求解工况的参数作为下一步计算的初始值输入大型非线性方程组，来减小初始值与正确求解结果间的差异，提高了液体火箭发动机计算模型的大型非线性方程组求解效率和准确性。
24.2、本发明提供的一种基于大型方程组求解的液体火箭发动机工况调整方法，采用modelica语言建立液体火箭发动机工况调整计算模型，建模时可采用图形化拖拽的方式进行静态调整，快捷实用，便于复杂系统的建模，且模型具有良好的复用性。
25.3、本发明提供的一种基于大型方程组求解的液体火箭发动机工况调整方法，基于modelica语言建模，可以通过对大型非线性方程组进行解耦，确定方程分组以及各分组的求解顺序，进一步提高了大型非线性方程组的求解速度。
附图说明
26.图1为本发明一种基于大型方程组求解的液体火箭发动机工况调整方法实施例的流程图；
27.图2为本发明实施例中液体火箭发动机工况调整计算模型的静态调整图；
28.图3为本发明实施例中modelica语言对大型非线性方程组编译结果界面图；
29.图4为本发明实施例中液体火箭发动机调整计算模型的模型参数、模型变量的试验面板显示图；
30.图5为本发明实施例中需要设置初值的变量及其初始值；
31.图6为本发明实施例中100％推力工况与30％工况计算结果示意图；
32.图7为本发明实施例中工况调整时液氢lh流量及和液氧lo流量变化曲线图。
具体实施方式
33.为使本发明的优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
34.一种基于大型方程组求解的液体火箭发动机工况调整方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
35.1】建立液体火箭发动机工况调整计算模型
36.根据发动机组件特性和物理连接关系，建立液体火箭发动机工况调整计算模型，如图2所示，为本实施例中液体火箭发动机工况调整计算模型的拓扑原理图，其中lo代表液体火箭发动机的氧化剂液氧，lh代表液体火箭发动机的燃料液氢。该液体火箭发动机工况调整计算模型为大型非线性方程组，本实施例建模的大型非线性方程组包括410个方程。
37.建立液体火箭发动机工况调整计算模型时，一般采用代码编程的方式，如modelica语言、c语言等，本实施例中采用modelica语言对液体火箭发动机工况调整计算模型进行建模，建模时可采用图形化拖拽的方式进行静态调整，快捷实用，便于复杂系统的建模，且模型具有良好的复用性。
38.2】输入初始值
39.2.1】对步骤1】中采用modelica语言建模得到的大型非线性方程组进行解耦，确定大型非线性方程组中的方程分组以及各分组求解顺序；
40.基于modelica语言，方程分组规则为：将大型非线性方程组中的方程按照独立求解方程和耦合求解方程进行分组，其中，耦合求解方程又以同组耦合方程为单位进行分组；各分组的求解顺序为：先求解独立求解方程，再将分组的耦合求解方程按照方程数量由少至多的顺序依次求解。
41.如图3所示，为modelica语言对大型非线性方程组编译的结果。本实施例中，底层求解器会自动将方程进行约减，例如赋值方程，约减前是466个方程，约减后为410个方程；再将410个方程按照独立求解方程和耦合求解方程进行分组并确定各分组求解顺序，其中，有333个方程可独立求解，其他的77个方程中，有9个方程耦合，另外的68个方程耦合，其求解顺序为：先求解333个可独立求解的方程，再求解耦合方程中方程数量较少的9个方程耦合的耦合方程，最后求解耦合方程中方程数量较多的68个方程耦合的耦合方程。
42.2.2】通过modelica语言中的数值求解算法确定待输入初始值的参数类别，具体的，编译器会根据大型非线性方程组系统自动识别需要赋初始值的非线性迭代量，用户需要根据编译信息赋予这些变量初始值，其它待求解变量无需输入初始值。
43.2.3】由于100％推力工况为发动机设计的额定点，该推力工况参数一般在调整计算前已知，因此，可将100％推力工况下的参数作为初始值输入。
44.根据步骤2.2】确定的待输入初始值的参数类别，将100％推力工况中对应的参数作为初始值，即100％推力工况中对应的非线性迭代量的初始值，输入大型非线性方程组中，具体的非线性迭代量及其初始值见表1。
45.表1
[0046][0047]
3】设置待求解工况，并对大型非线性方程组进行求解
[0048]
将液体火箭发动机工况调整目标作为待求解工况，在输入了初始值的大型非线性方程组中设置待求解的工况参数，如图4所示，为将100％推力工况中对应的参数作为系统参数，液体火箭发动机工况调整计算模型的模型参数、模型变量的试验面板显示图，本实施例中设置的待求解的工况参数为30％推力工况下的参数，设置30％推力工况下对应的推力0.621
×
106n、液氢与液氧的混合比2：1。
[0049]
根据步骤2.1】确定的方程分组以及各分组的求解顺序，对大型非线性方程组进行求解。在进行求解前，如图5所示，给定翻译后方程系统的非线性迭代量初始值。
[0050]
4】获得发动机工况调整目标的对应参数
[0051]
当大型非线性方程组的求解顺利进行时，求解完成，将当前求解结果作为发动机工况调整目标的对应参数；否则，当大型非线性方程组的求解过程中出现求解速度慢、多解或发散等问题时，可对待求解工况重新进行设置，即在当前待求解的30％推力工况与100％推力工况之间增加一个中间推力工况作为辅助的待求解工况，如50％推力工况，并返回步骤3】，以辅助的待求解50％推力工况作为发动机工况调整目标，对大型非线性方程组求解；如果求解过程中还是出现求解速度慢、多解或发散等问题，可对待求解工况再一次进行设置，即在当前待求解的50％推力工况与100％推力工况之间增加一个中间推力工况作为辅助的待求解工况，如70％推力工况，并返回步骤3】，以辅助的待求解70％推力工况作为发动机工况调整目标，对大型非线性方程组求解，直至求解顺利进行；将求解顺利时得到的辅助工况参数作为初始值输入大型非线性方程组，将液体火箭发动机待求解工况，即30％推力工况作为工况调整目标，重新对大型非线性方程组求解，以此类推，直至顺利求解30％推力工况，将当前求解结果作为发动机工况调整目标的对应参数。
[0052]
5】根据步骤4】获得的发动机工况调整目标的对应参数，对液体火箭发动机进行工况调整。
[0053]
如图6所示，为本实施例中通过计算得出的燃烧室氧化剂流量、燃料流量、燃烧室出口燃气温度、燃烧室出口真空比冲在100％工况下与30％工况下计算结果对比图。当运行工况由100％工况调整为30％工况时，液体火箭发动机的燃料液氢lh的消耗量降低，且氧化
剂液氧lo的流量明显下降，因此氧化剂液氧lo的出入口压差下降，入口压力也下降。同时，出口燃气温度明显下降，出口真空比冲略有上升，即本发明在工况调整过程中液体火箭发动机的燃料利用效率有所提升。
[0054]
如图7所示，为本实施例中氧化剂流量、燃料流量分别在100％工况、70％工况、50％工况、30％工况折线图。图中折线点从左到右依次为100％工况、70％工况、50％工况、30％工况。从图中可以看出，随着运行工况由100％工况依次下降到30％工况时，氧化剂液氧lo的流量和燃料液氢lh的流量也依次同步下降。
[0055]
以上仅为本发明的一个具体实施例，在步骤2】中，由于采用modelica语言建立液体火箭发动机工况调整计算模型，所以可以通过对建模得到的大型非线性方程组解耦，确定大型非线性方程组中的方程分组以及各分组的求解顺序，提高了大型非线性方程组的求解速度；并且还可以用modelica语言中的数值求解算法确定待输入初始值的参数，使100％推力工况(额定工况)中对应的部分参数作为初始值输入大型非线性方程组中，以减少求解过程中的输入量；在本发明的其他实施例中，当采用其他的编程语言建模时，需要将100％推力工况的全部参数作为初始值输入大型非线性方程组中进行求解。
[0056]
本发明在非设计工况下初始值未知时，可以通过多次迭代使得非线性方程组收敛。本实施例在大型非线性方程组的求解过程中，在求解工况与100％推力工况之间增加一个中间推力工况作为辅助的待求解工况；并将上一步得到的辅助待求解工况的参数作为下一步计算的初始值输入大型非线性方程组，来减小初始值与正确求解结果间的差异，从而提高液体火箭发动机计算模型的大型非线性方程组求解效率和准确性。
[0057]
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对上述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。