一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法
2023-08-09 10:53:06 1
專利名稱：一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法
一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法技術領域
本發明屬於固體推進劑煙霧特性評價技術領域，尤其是涉及一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法。
背景技術：
隨著機械化、信息化技術的發展，現代武器系統越來越多的採用雷達、光電等自動跟蹤、控制和制導手段，武器系統的自動化程度、打擊精度等方面得到顯著提高，極大的提升了彈箭武器系統的作戰效能。但與此同時，彈箭武器發射和運載過程中的煙焰問題危害性日益顯現，對武器系統信息化、智能化、隱身化性能影響很大，對武器系統快速、精確打擊、隱身等功能造成了嚴重的不利影響，甚至已成為制約我軍彈箭武器發揮正常效能、新裝備訂貨以及新型武器裝備發展的主要技術瓶頸。尤其是近年來，重型反坦克飛彈研製過程中出現推進劑裝藥煙霧遮擋制導信號的問題，解決問題耗費巨大。
固體推進劑是彈箭武器系統的發射能源，其低特徵信號性能是保證武器系統戰場使命完成的重要因素。火箭排氣羽流的特徵信號(Exhaust Plume Signature)是一種包含有系統或火箭發動機排氣全部性能或特性的術語，此性能或特性可被用作探測、識別、或攔截執行任務的發射平臺或飛彈。羽流的特徵信號特性主要包括煙、輻射能的散發、能見度(視程/能見距離)和雷達波吸收等4項參數。固體推進劑煙霧是羽流特徵信號的重要表徵參數，其從表觀特徵可以細分為:一次煙霧和二次煙霧，一次煙霧主要由火箭發動機噴管噴出的凝相顆粒構成，主要存在形式為金屬氫氧化物、氧化物和氯化物等，複合推進劑中的金屬粉(鋁、鎂等)燃燒產生的金屬氧化物(Al203、Mg0等)是一次煙霧的主要來源；二次煙霧由燃氣中可凝氣體組成，是燃氣與大氣相互作用的結果。複合推進劑中的AP和含氟組分燃燒分解後形成HCl、HF，在特定的溫度和溼度條件下，與空氣相結合形成水和HC1、HF的共沸液滴煙雲。
二次煙作為特徵信號性能的主要組成部分，是排氣羽流與大氣相互作用的結果，其表觀特徵是彈箭武器在噴管明亮的後燃區後部拖有長長得煙雲尾跡。為評價固體推進劑二次煙霧特性，世界上一些發達國家都建立了相關測試評估方法，建設了各種實驗測試設施來對固體推進劑特徵信號性能進行檢測及表徵。尤其是近年來CRAFT Tech公司獲得了美國國防部SBIR項目資助開展的二次煙形成模型的研究。國內在對國外測試設施研究的基礎上，已建立起一套具有獨立智慧財產權的低成本、易控制的固體推進劑特徵信號檢測系統，起草完成了相關行業標準，發表了系列的研究論文，申請了一些國防專利。但在低特徵信號推進劑研製及評價過程中，解決問題需要耗費大量的人力物力，研製周期大幅度延長，帶來巨大的經濟損失和政治影響，因而現如今迫切需要一種虛擬試驗方法對固體推進劑的二次煙特性進行快速評價。虛擬試驗是藉助於計算機的高速解算，按實際試驗要求對基於推進劑燃燒和燃燒產物流動的數學模型進行模擬試驗，不僅可以作為真實試驗的前期準備工作或在一定程度上替代傳統的試驗(如一些極限工況)；並且能大幅減少真實試驗次數，降低試驗費用，縮短試驗周期；同時，具有較好的交互性，使得各種試驗信息及時反饋；另外，虛擬試驗不受氣象條件、場地、時間和次數的限制，試驗過程可方便實現回放、再現和重複。發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其方法步驟簡單、設計合理且實現方便、使用效果好，能有效解決現有固體推進劑二次煙信號性能評價時存在的人力物力投入大、周期長、試驗量大等缺陷。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是:一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵在於該方法包括以下步驟:
步驟一、初始參數設定與存儲:
首先，通過與數據處理器相接的參數輸入單元，輸入配製所評價固體推進劑所用的組分數量N和各組分的組分信息，並將所輸入的信息同步存儲至與所述數據處理器相接的數據存儲單元內；其中，各組分的組分信息均包括化學式和質量配比IV i=l、2、…、N，N為配製所評價固體推進劑所用組分的數量；其中，0 < Hii < 100，N ^ 2 ；
之後，通過所述參數輸入單元自預先建立的燃燒產物資料庫中，選出所評價固體推進劑燃燒後所產生的所有燃燒產物；所述燃燒產物資料庫中存儲有多種燃燒產物的屬性信息；其中，各燃燒產物的屬性信息均包括化學式、相對分子質量和相態，其中相態為氣相或凝聚相；同時，通過所述參數輸入單元對所評價固體推進劑燃燒後所產生燃燒產物的數量m和所產生燃燒產物中氣相產物的數量Q進行設定；
步驟二、能量特性參數計算，其計算過程如下:
步驟201、建模:根據最小自由能原理，建立最小自由能數學模型和燃燒室溫度計算模型；
步驟202、平衡組成計算:所述數據處理器調用步驟201中所建立的最小自由能數學模型，並結合步驟一中所設定的初始參數，計算得出所評價固體推進劑燃燒後的燃燒產物平衡組成；
步驟203、絕熱燃燒溫度計算:所述數據處理器調用步驟201中所建立的燃燒室溫度計算模型，計算得出所評價固體推進劑燃燒後處於化學平衡狀態時的絕熱燃燒溫度；
步驟三、羽流場計算，其計算過程如下:
步驟301、燃燒室工作參數以及噴管幾何參數與噴流計算域範圍設定:首先，通過所述參數輸入單元對發動機`元對發動機噴管的幾何參數和噴流計算域範圍進行設定；其中，發動機噴管的幾何參數包括入口半徑^、喉部半徑r2、出口半徑r3、收斂段長度dl、喉部圓柱段長度d2、擴張角a和擴張段長度d3，其中入口半徑ri為發動機噴管的入口半徑，喉部半徑r2為發動機噴管的喉部半徑，出口半徑r3為發動機噴管的出口半徑，收斂段長度dl為發動機噴管入口到噴管喉部前端的長度，喉部圓柱段長度d2為發動機噴管的喉部長度，擴張角a為發動機噴管擴張段的壁面與其軸線之間的夾角，且擴張段長度d3為發動機噴管喉部末端到噴管出口的長度；噴流計算域範圍包括噴流軸向長度Xm和噴流徑向長度ym，其中噴流軸向長度xm為發動機噴管出口到噴流下遊出口的長度，噴流徑向長度ym為發動機噴管軸線到噴流徑向外邊界的長度；
步驟302、發動機羽流場計算:所述數據處理器調用FULENT軟體，並結合步驟二中計算得出的能量特性參數、步驟301中所設定的燃燒室工作參數以及噴管幾何參數與噴流計算域範圍，對所評價固體推進劑進行羽流場計算，並相應計算得出所評價固體推進劑燃燒後所產生的各氣相產物在發動機噴管軸線上各位置處的摩爾百分含量fz和發動機噴管軸線上各位置處的壓強P氣相；其中，z為正整數，且z=l、-,Q；
步驟四、二次煙特徵值計算，其計算過程如下:
步驟401、建模:採用所述數據處理器，建立固體推進劑的二次煙特徵值計算模型，且所建立的二次煙特徵值計算模型為二次煙相對溼度計算模型:RHamb=IOOX [K-ftotalX0.16589)] (I)，式⑴中/toM; =Zffj0 + fHC, +/冊，其中 ftQtal 為所評價固體推進劑燃燒後所產生燃燒產物中凝聚物在發動機噴管軸線上的摩爾百分含量，為所評價固體推進劑燃燒後所產生燃燒產物中的水在發動機噴管軸線上的摩爾百分含量，fHci為所評價固體推進劑燃燒後所產生燃燒產物中的HCl在發動機噴管軸線上的摩爾百分含量，且fHF為所評價固體推進劑燃燒後所產生燃燒產物中的HF在發動機噴管軸線上的摩爾百分含量；，式中Ptl為通過所述參數輸入單元預先輸入的0°C時水的飽和蒸氣壓，P=PHa+PHF，其中Prel為氣相產物HCl的氣體分壓且PHa=fHaXP，，Phf為氣相產物HF的氣體分壓且PHF=fHFXPn#，為步驟302中計算得出的發動機噴管軸線上的壓強；
步驟402、二次煙特徵值計算:所述數據處理器調用步驟401中所建立的二次煙相對溼度計算模型，並結合步驟302中計算得出的所評價固體推進劑燃燒後所產生的各氣相產物在發動機噴管軸線上各位置處的摩爾百分含量fz，計算得出所評價固體推進劑燃燒後的發動機羽流場中噴管軸線上各位置處的二次煙相對溼度RH-。
上述一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵是:步驟402計算得出所評價固體推進劑燃燒後的發動機羽流場中噴管軸線上各位置處的二次煙相對溼度RHamb後，所述數據處理器還需調用二次煙特徵值評價模塊對發動機羽流場中噴管軸線上各位置處的二次煙等級進行評價，且RHamb值越大，二次煙等級越高。
上述一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵是:步驟402計算得出所評價固體推進劑燃燒後的發動機羽流場中噴管軸線上各位置處的二次煙相對溼度RHamb後，所述數據處理器還需調用曲線繪製模塊繪製出所評價固體推進劑燃燒後所產生二次煙的相對溼度RHamb的軸向分布曲線，並通過所述顯示單元對所繪製的相對溼度RHamb的軸向分布曲線進行同步顯示；其中，相對溼度RHamb的軸向分布曲線為所評價固體推進劑燃燒後所產生二次煙的相對溼度RHamb隨X軸的取值變化而變化的曲線；其中X軸為發動機噴管軸線所在的坐標軸，且發動機噴管出口處x=0。
上述一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵是:步驟302中計算得出的所評價固體推進劑燃燒後所產生的各氣相產物在發動機噴管軸線上各位置處的摩爾百分含量匕後，所述數據處理器還需曲線繪製模塊繪製出所評價固體推進劑燃燒後所產生各氣相產物在發動機噴管軸線上的摩爾百分含量分布曲線Iz ;其中，摩爾百分含量分布曲線Iz為所評價固體推進劑燃燒後所產生的第z種氣相產物的摩爾百分含量fz隨X軸的取值變化而變化的曲線；其中X軸為發動機噴管軸線所在的坐標軸，且發動機噴管出口處x=0。
上述一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵是:步驟401 中 p0=610.78Pa。
上述一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵是:所述數據處理器調用所述二次煙特徵值評價模塊對發動機羽流場中噴管軸線上各位置處的二次煙等級進行評價時，當RHamb值在區間(0.90，I]時，二次煙等級為微煙；當1^_值在區間(0.55，0.90]時，二次煙等級為少煙；且當RHamb值在區間
時，二次煙等級為有煙。
上述一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵是:步驟201中所建立的最小自由能數學模型為
權利要求
1.一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵在於該方法包括以下步驟: 步驟一、初始參數設定與存儲: 首先，通過與數據處理器相接的參數輸入單元，輸入配製所評價固體推進劑所用的組分數量N和各組分的組分信息，並將所輸入的信息同步存儲至與所述數據處理器相接的數據存儲單元內；其中，各組分的組分信息均包括化學式和質量配比IV i=l、2、…、N，N為配製所評價固體推進劑所用組分的數量；其中，O < Hii < 100，N彡2 ; 之後，通過所述參數輸入單元自預先建立的燃燒產物資料庫中，選出所評價固體推進劑燃燒後所產生的所有燃燒產物；所述燃燒產物資料庫中存儲有多種燃燒產物的屬性信息；其中，各燃燒產物的屬性信息均包括化學式、相對分子質量和相態，其中相態為氣相或凝聚相；同時，通過所述參數輸入單元對所評價固體推進劑燃燒後所產生燃燒產物的數量m和所產生燃燒產物中氣相產物的數量Q進行設定； 步驟二、能量特性參數計算，其計算過程如下: 步驟201、建模:根據最小自由能原理，建立最小自由能數學模型和燃燒室溫度計算模型； 步驟202、平衡組成計算:所述數據處理器調用步驟201中所建立的最小自由能數學模型，並結合步驟一中所設定的初始參數，計算得出所評價固體推進劑燃燒後的燃燒產物平衡組成； 步驟203、絕熱燃燒溫度計算:所述數據處理器調用步驟201中所建立的燃燒室溫度計算模型，計算得出所評價固體推進劑燃燒後處於化學平衡狀態時的絕熱燃燒溫度； 步驟三、羽流場計算，其計算過程如下: 步驟301、燃燒室工作參數以及噴管幾何參數與噴流計算域範圍設定:首先，通過所述參數輸入單元對發動機的燃燒室內壓強P。、環境壓力和環境溫度Tjf分別進行設定；之後，再通過所述參數輸入單元對發動機噴管的幾何參數和噴流計算域範圍進行設定；其中，發動機噴管的幾何參數包括入口半徑^、喉部半徑r2、出口半徑r3、收斂段長度dl、喉部圓柱段長度d2、擴張角a和擴張段長度d3，其中入口半徑ri為發動機噴管的入口半徑，喉部半徑1~2為發動機噴管的喉部半徑，出口半徑r3為發動機噴管的出口半徑，收斂段長度dl為發動機噴管入口到噴管喉部前端的長度，喉部圓柱段長度d2為發動機噴管的喉部長度，擴張角a為發動機噴管擴張段的壁面與其軸線之間的夾角，且擴張段長度d3為發動機噴管喉部末端到噴管出口的長度；噴流計算域範圍包括噴流軸向長度Xm和噴流徑向長度ym，其中噴流軸向長度xm為發動機噴管出口到噴流下遊出口的長度，噴流徑向長度ym為發動機噴管軸線到噴流徑向外邊界的長度； 步驟302、發動機羽流場計算:所述數據處理器調用FULENT軟體，並結合步驟二中計算得出的能量特性參數、步驟301中所設定的燃燒室工作參數以及噴管幾何參數與噴流計算域範圍，對所評價固體推進劑進行羽流場計算，並相應計算得出所評價固體推進劑燃燒後所產生的各氣相產物在 發動機噴管軸線上各位置處的摩爾百分含量fz和發動機噴管軸線上各位置處的壓強P氣相；其中，z為正整數，且z=l、…、Q ; 步驟四、二次煙特徵值計算，其計算過程如下: 步驟401、建模:採用所述數據處理器，建立固體推進劑的二次煙特徵值計算模型，且所建立的二次煙特徵值計算模型為二次煙相對溼度計算模型=RHamb =IOOX [K-ftotalX0.16589) ] (I)，式⑴中 /_/ = fHlo +/hc +Ihf，其中 ftQtal 為所評價固體推進劑燃燒後所產生燃燒產物中凝聚物在發動機噴管軸線上的摩爾百分含量，^匆所評價固體推進劑燃燒後所產生燃燒產物中的水在發動機噴管軸線上的摩爾百分含量，fHCi為所評價固體推進劑燃燒後所產生燃燒產物中的HCl在發動機噴管軸線上的摩爾百分含量，且fHF為所評價固體推進劑燃燒後所產生燃燒產物中的HF在發動機噴管軸線上的摩爾百分含量'K=S，式中Ptl為通過所述參數輸入單元預先輸入的0°C時水的飽和蒸氣壓， PoP=PHa+PHF，其中Pm為氣相產物HCl的氣體分壓且PHa=fHaXP，，PHF為氣相產物HF的氣體分壓且PHF=fHFXPn#，為步驟302中計算得出的發動機噴管軸線上的壓強； 步驟402、二次煙特徵值計算:所述數據處理器調用步驟401中所建立的二次煙相對溼度計算模型，並結合步驟302中計算得出的所評價固體推進劑燃燒後所產生的各氣相產物在發動機噴管軸線上各位置處的摩爾百分含量fz，計算得出所評價固體推進劑燃燒後的發動機羽流場中噴管軸線上各位置處的二次煙相對溼度RH-。
2.按照權利要 求1所述的一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵在於:步驟402計算得出所評價固體推進劑燃燒後的發動機羽流場中噴管軸線上各位置處的二次煙相對溼度RHamb後，所述數據處理器還需調用二次煙特徵值評價模塊對發動機羽流場中噴管軸線上各位置處的二次煙等級進行評價，且RHamb值越大，二次煙等級越高。
3.按照權利要求1或2所述的一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵在於:步驟402計算得出所評價固體推進劑燃燒後的發動機羽流場中噴管軸線上各位置處的二次煙相對溼度RHamb後，所述數據處理器還需調用曲線繪製模塊繪製出所評價固體推進劑燃燒後所產生二次煙的相對溼度RHamb的軸向分布曲線，並通過所述顯示單元對所繪製的相對溼度RHamb的軸向分布曲線進行同步顯示；其中，相對溼度RHamb的軸向分布曲線為所評價固體推進劑燃燒後所產生二次煙的相對溼度RHamb隨X軸的取值變化而變化的曲線；其中X軸為發動機噴管軸線所在的坐標軸,且發動機噴管出口處x=0。
4.按照權利要求1或2所述的一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵在於:步驟302中計算得出的所評價固體推進劑燃燒後所產生的各氣相產物在發動機噴管軸線上各位置處的摩爾百分含量匕後，所述數據處理器還需曲線繪製模塊繪製出所評價固體推進劑燃燒後所產生各氣相產物在發動機噴管軸線上的摩爾百分含量分布曲線Iz ;其中，摩爾百分含量分布曲線Iz為所評價固體推進劑燃燒後所產生的第z種氣相產物的摩爾百分含量fz隨X軸的取值變化而變化的曲線；其中X軸為發動機噴管軸線所在的坐標軸，且發動機噴管出口處X=O。
5.按照權利要求1或2所述的一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵在於:步驟401中pQ=610.78Pa。
6.按照權利要求2所述的一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵在於:所述數據處理器調用所述二次煙特徵值評價模塊對發動機羽流場中噴管軸線上各位置處的二次煙等級進行評價時，當RHamb值在區間(0.90，I]時，二次煙等級為微煙；當RHamb值在區間(0.55，0.90]時，二次煙等級為少煙；且當RHamb值在區間
時，二次煙等級為有煙。
7.按照權利要求1或2所述的一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵在於:步驟201中所建立的最小自由能數學模型為
8.按照權利要求7所述的一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵在於:步驟202中進行平衡組成計算時，所述數據處理器調用參數計算模塊，根據步驟一中所輸入的配製所評價固體推進劑所用各組分的化學式和質量配比Hii,並結合各組分的相對分子質量，對\.和1^.進行計算；之後，所述數據處理器結合預先輸入的^和」， 且根據公式
9.按照權利要求1或2所述的一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，其特徵在於:步驟302中進行發動機羽流場計算時，所採用的發動機羽流場為二維軸對稱簡化 模型。
全文摘要
本發明公開了一種基於羽流場的固體推進劑二次煙霧特性虛擬評價方法，包括以下步驟一、初始參數設定與存儲；二、能量特性參數計算；三、發動機羽流場計算；四、二次煙特徵值計算，數據處理器調用預先建立的二次煙相對溼度計算模型，並結合步驟三中的羽流場計算結果，計算得出所評價固體推進劑燃燒後的發動機羽流場中噴管軸線上各位置處的二次煙相對溼度RHamb。本發明方法步驟簡單、設計合理且實現方便、使用效果好，能有效解決現有固體推進劑煙霧信號性能評價時存在的人力物力投入大、周期長、試驗量大等缺陷。
文檔編號G06F19/00GK103186714SQ20131014155
公開日2013年7月3日 申請日期2013年4月22日 優先權日2013年4月22日
發明者李猛, 趙鳳起, 張曉宏, 徐司雨, 羅陽, 郝海霞 申請人:西安近代化學研究所