一種基于實驗與仿真互相耦合的真空羽流效應(yīng)評估方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于實驗與仿真互相耦合的真空羽流效應(yīng)評估方法，用于快速準(zhǔn)確地評估火箭發(fā)動機的真空羽流效應(yīng)。本方法包括：仿真輔助實驗設(shè)計，進行初步仿真，確定典型實驗工況及關(guān)鍵測量參數(shù)；實驗有效性確認，對實驗過程的實驗數(shù)據(jù)與初步仿真結(jié)果進行比較，進行有效性判斷；仿真方法有效性確認，在實驗有效性確認后，對仿真方法進行驗證和修正，以達到足夠精度；仿真方法推廣計算，使用驗證后的仿真方法對待分析羽流效應(yīng)任務(wù)的所有工況進行仿真計算。本發(fā)明能夠快速、高效、準(zhǔn)確地對各種具體的發(fā)動機真空羽流效應(yīng)分析問題開展研究和評估，可有效保證實驗設(shè)計的合理性，減小實驗次數(shù)，從而降低實驗成本。
【專利說明】一種基于實驗與仿真互相耦合的真空羽流效應(yīng)評估方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于宇航推進系統(tǒng)及真空科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，本發(fā)明涉及一種基于實驗與仿真 互相耦合的真空羽流效應(yīng)評估方法，主要應(yīng)用于快速準(zhǔn)確地評估火箭發(fā)動機的真空羽流效 應(yīng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 航天器上的姿軌控發(fā)動機工作時，噴流向外部真空環(huán)境膨脹形成真空羽流。真空 羽流會對航天器產(chǎn)生羽流氣動力、氣動熱和污染等不利影響，妨礙航天器正常工作，嚴重時 可導(dǎo)致任務(wù)失敗。目前研究發(fā)動機真空羽流效應(yīng)主要依靠實驗和仿真兩種方法。
[0003] 開展真空羽流效應(yīng)實驗研究必須具備超高真空模擬環(huán)境，即建立一個地面真空 艙，同時由于實驗過程中發(fā)動機要持續(xù)工作，不斷有噴流進入真空艙破壞真空度，為保證實 驗結(jié)果與真實狀態(tài)接近，真空艙的抽氣系統(tǒng)必須具有非常高的動態(tài)抽氣能力。要實現(xiàn)這些 要求，真空抽氣系統(tǒng)通常必須采用冷氣氦甚至液氦冷卻的深冷泵，實驗過程中需不斷向深 冷泵中通入冷氣氦或液氦，通過冷卻的方式使發(fā)動機的噴流冷凝于深冷泵冷板之上。因此 真空羽流實驗對于深冷介質(zhì)的消耗量巨大，實驗非常昂貴，不適于大量開展，必須在有限的 實驗工況中獲得有效實驗數(shù)據(jù)，不允許不斷反復(fù)。同時由于真空羽流流動以及真空環(huán)境下 測量都非常復(fù)雜，給實驗設(shè)計提出了非常高的要求。而且實驗完成后怎樣判斷實驗數(shù)據(jù)的 有效性也非常困難。
[0004] 開展真空羽流仿真研究的困難在于真空羽流流動是一個同時包含連續(xù)流動和稀 薄流動兩種流動機理的流動問題，流動方程復(fù)雜，羽流與表面作用模型不完善。目前研究稀 薄流動廣泛采用的直接模擬蒙特卡羅方法在應(yīng)用于真空羽流效應(yīng)研究時存在表面作用模 型選擇困難，模型參數(shù)確定困難等一系列問題，僅使用仿真方法獲得的羽流效應(yīng)分析結(jié)果 準(zhǔn)確性有待驗證。
[0005] 以往也存在使用實驗結(jié)果驗證的仿真方法再進一步分析羽流效應(yīng)的方案，但是實 驗與仿真分別進行，仍存在實驗結(jié)果有效性能否保證、仿真方法驗證是否充分等問題。
[0006] 綜上可知，當(dāng)前研究發(fā)動機真空羽流效應(yīng)的兩種主要方法都存在各自的問題，簡 單的結(jié)合也存在很大缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了能夠快速準(zhǔn)確地評估火箭發(fā)動機的真空羽流效應(yīng)影響，本發(fā)明提出一種能夠 將實驗與仿真方法互相耦合起來形成的系統(tǒng)的羽流效應(yīng)評估方法，解決了以往實驗和仿真 方法存在的問題。
[0008] -種基于實驗與仿真互相耦合的真空羽流效應(yīng)評估方法，針對某一羽流效應(yīng)分析 任務(wù)，進行如下步驟：
[0009] 步驟1 :仿真輔助實驗設(shè)計；
[0010] 首先，對進行羽流效應(yīng)分析的任務(wù)開展初步仿真，進行關(guān)鍵實驗工況的仿真計算， 獲得待分析表面的壓強分布、熱流分布及羽流到達率分布以及流場空間中的壓強、密度、溫 度和組分分布等仿真結(jié)果。
[0011] 然后，基于仿真結(jié)果設(shè)計實驗中采用的壓強、熱流和石英微量天平等傳感器的量 程，其中壓強傳感器的量程設(shè)置為擬布置壓強傳感器位置處仿真得到的波后總壓的5倍， 熱流傳感器的量程設(shè)置為擬布置熱流傳感器位置處的熱流仿真結(jié)果的10倍，石英微量天 平的量程設(shè)置為擬布置石英微量天平位置處羽流到達率仿真結(jié)果與實驗時間的乘積再乘 以10。
[0012] 步驟2 :實驗有效性確認；
[0013] 開展實驗，對比實驗結(jié)果與初步仿真結(jié)果，如果滿足以下式（1)?式（3)所示的三 個條件的實驗有效性判據(jù)，則認為實驗數(shù)據(jù)有效，否則進一步確認仿真和實驗是否存在問 題，在解決問題后再次進行實驗，直至滿足實驗有效性判據(jù)。

【權(quán)利要求】
1. 一種基于實驗與仿真互相耦合的真空羽流效應(yīng)評估方法，其特征在于，針對某一羽 流效應(yīng)分析任務(wù)，進行如下步驟： 步驟1 :仿真輔助實驗設(shè)計，具體如下： 首先，對進行羽流效應(yīng)分析的任務(wù)進行初步仿真，獲得的仿真結(jié)果包括：待分析表面 的壓強分布、熱流分布、羽流到達率分布以及流場空間中待測點的壓強、密度、溫度和組分 分布；然后，基于仿真結(jié)果設(shè)計實驗中采用的壓強傳感器、熱流傳感器和石英微量天平的量 程，具體是：壓強傳感器的量程設(shè)置為擬布置壓強傳感器位置處仿真得到的波后總壓的5 倍，熱流傳感器的量程設(shè)置為擬布置熱流傳感器位置處熱流仿真結(jié)果的10倍，石英微量天 平的量程設(shè)置為擬布置石英微量天平位置處羽流到達率仿真結(jié)果與實驗時間的乘積再乘 以10 ; 步驟2 :實驗有效性確認，具體如下： 開展實驗，對比實驗結(jié)果與初步仿真獲得的仿真結(jié)果，如果滿足式（1)?式（3)所示實 驗有效性判據(jù)，則實驗數(shù)據(jù)有效，否則進一步確認仿真和實驗是否存在問題，在解決問題后 再次進行實驗，直至滿足實驗有效性判據(jù)；
其中，P為壓強，Q為熱流，m為羽流沉積質(zhì)量，A羽流到達率，Λt為實驗時間，下標(biāo)exp表示實驗結(jié)果，sim表示仿真結(jié)果； 步驟3 :仿真方法有效性確認，具體如下： 實驗完成獲得實驗結(jié)果后，根據(jù)式（4)?式（6)進行仿真方法有效性確認，當(dāng)滿足式 (4)?式（6)時，則認為仿真方法及模型對于當(dāng)前問題已經(jīng)達到足夠精度，否則，查找仿真 方法的問題，修正模型，直至滿足式（4)?式（6);
步驟4 :使用得到有效性確認后的仿真方法，對該進行羽流效應(yīng)分析任務(wù)的所有工況 進行仿真計算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于實驗與仿真互相耦合的真空羽流效應(yīng)評估方法，其特征 在于，所述的步驟1中進行初步仿真時，流場空間中壓強采用皮托管測量，采集到的參數(shù)為 流場的波后總壓，根據(jù)下式獲得皮托管處的波后總壓Λ--為：
其中，Pt為流場總壓，Y為氣體比熱比，M為馬赫數(shù)，Ps為流場靜壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于實驗與仿真互相耦合的真空羽流效應(yīng)評估方法，其特征 在于，步驟2中所述的進一步確認仿真和實驗是否存在問題，在仿真方面，確認結(jié)構(gòu)建模、 入口參數(shù)和邊界條件三方面是否存在問題；在實驗方面，確認結(jié)構(gòu)位置、傳感器固定、傳感 器量程和測控系統(tǒng)配置是否存在問題。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于實驗與仿真互相耦合的真空羽流效應(yīng)評估方法，其特征 在于，步驟3中所述的查找仿真方法的問題，具體從如下方面進行查找：結(jié)構(gòu)建模的細節(jié)影 響分析、羽流與邊界作用模型設(shè)置是否合理、邊界作用模型的參數(shù)設(shè)置是否合理、網(wǎng)格無關(guān) 性驗證、以及時間步長設(shè)置是否合理。
【文檔編號】G06F17/50GK104318011SQ201410562178
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】蔡國飆, 凌桂龍, 賀碧蛟, 唐振宇, 蘇微, 翁惠焱 申請人:北京航空航天大學(xué)