一种液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法

技术领域

本发明属于发动机热环境数值模拟技术领域，尤其涉及一种液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法。

背景技术

液体火箭发动机热环境的预报以及热环境适应性设计、考核对于提升运载火箭的可靠性具有重要意义。发动机热力组件高温壁面以及喷流热效应会使运载火箭处在一个热的环境中，运载火箭整体或某些部件可能因局部过热而受损，导致工作质量下降，甚至无法正常工作。对热环境估计不足会严重威胁发动机工作可靠性，估计过度又会使热防护设计过于保守而增加结构质量和成本。辐射换热是液体火箭发动机中一种主要热传递方式，它与分析对象的相对位置、外观形状、结构尺寸、表面特性等因素紧密相关。由于发动机系统复杂，组件众多、空间布局纵横交错，辐射换热计算工作量很大、耗时长，有时为了完成计算而不得不牺牲计算精度，甚至由于系统过于复杂而造成计算任务失败。因而，发展针对液体火箭发动机的固壁辐射换热仿真方法，很具有必要性。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法，解决了发动机高温固体壁面对其它组件的辐射热流计算难题。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法，包括：

建立分析对象的三维几何模型；

建立三维几何模型对应的仿真几何模型；

对仿真几何模型进行热分析网格划分，并对划分后的网格进行参数配置；

设置各网格节点的射线数和射线截断分数；其中，网格节点为网格的中心点；

根据设置的各网格节点的射线数和射线截断分数，计算得到网格节点间的无量纲辐射传递因子；

根据网格节点间的无量纲辐射传递因子，计算得到热源投射到受热体表面的辐射热流密度。

在上述液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法中，建立分析对象的三维几何模型，包括：通过三维几何建模软件，建立分析对象的三维几何模型，并按实际情况排布三维几何模型中各结构的空间位置；其中，分析对象为液体火箭发动机组件，包括：热源和受热体。

在上述液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法中，建立三维几何模型对应的仿真几何模型，包括：将三维几何模型导入至热分析软件，对三维几何模型进行简化，去除对辐射传热影响小于设定阈值的几何要素，或根据三维几何模型的结构特点将三维几何模型简化为由规则型面组成的几何体，在将三维几何模型简化为由规则型面组成的几何体时应保持表面面积和导热截面积不变；保持三维几何模型中各结构的空间位置和相对可视关系不变，得到三维几何模型对应的仿真几何模型。

在上述液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法中，对仿真几何模型进行热分析网格划分，包括：基于仿真几何模型，对仿真几何模型进行区域离散，将仿真几何模型划分成多个子区域，确定每个子区域中的节点，从而得到划分后的网格，并对划分得到的各网格进行分组和编号，对每个网格节点进行命名。

在上述液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法中，对划分后的网格进行参数配置，包括：

设置各网格的材料辐射特性参数；确定各网格覆盖的结构件的材料；根据各网格覆盖的结构件的材料的特性，设置各网格的表面发射率与吸收率；其中，热源网格的表面发射率依据材料实际特性设置，受热体网格的表面发射率统一设为1；热源网格指覆盖热源的网格，受热体网格指覆盖受热体的网格；

设置各网格节点间的辐射换热关系：建立辐射换热分析组，根据辐射可视关系建立一个或多个分析组，每个辐射分析组为一个封闭辐射空间，属于某个辐射分析组的辐射表面仅在该分析组内产生辐射换热，辐射表面由位于表面上的一个或数个网格节点表示；选中某一结构的辐射表面然后为其赋予光学特性，并按可视关系归入相应的辐射换热分析组。

在上述液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法中，根据设置的各网格节点的射线数和射线截断分数，计算得到网格节点间的无量纲辐射传递因子，包括：根据设置的各网格节点的射线数和射线截断分数，基于射线追踪法，进行辐射换热求解；令每个网格节点发射一定量的光束，跟踪、统计每束光束的归宿，得到各网格节点辐射能量分配的统计结果；进而得到从一个表面发出的辐射能量，经过一次投射以及经过辐射换热分析组内其它各表面一次或多次反射和散射后，最终被另一个表面吸收的份额，从而得到每两个网格节点间的无量纲辐射传递因子，即从一个节点辐射的能量被另一个节点所吸收的份额值。

在上述液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法中，将热源上的网格节点记作网格节点1、受热体上的网格节点即为网格节点2，则，热源投射到受热体表面的辐射热流密度即为网格节点1所占区域的表面投射到网格节点2所占区域的表面的辐射热流q

在上述液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法中，q

其中，Q

在上述液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法中，每组网格节点由两个网格节点构成，每组网格节点中的两个网格节点可以是不同网格节点也可以是同一个网格节点；网格节点间的无量纲辐射传递因子的百分比总和大于95％；若计算得到的网格节点间的无量纲辐射传递因子的百分比总和不大于95％，则重新设置各网格节点的射线数和射线截断分数，或重新对仿真几何模型进行热分析网格划分，直至计算得到的网格节点间的无量纲辐射传递因子的百分比总和大于95％。

在上述液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法中，分析对象的辐射表面特性均为漫射灰表面，所研究表面的不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法，基于三维几何建模软件建立三维几何模型；在几何模型的基础上基于专业热分析软件建立计算模型；基于专业热分析软件划分热分析模型网格；设置材料物性参数；基于专业热分析软件建立网格节点热网络关系；设定边界条件；计算节点间的无量纲辐射传递因子；对计算结果进行后处理，获得热源投射到受热体表面的辐射热流。本发明可快速获得物体表面辐射热环境条件，用于后续评估判断发动机组件热响应特性。

(2)本发明公开了一种液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法，将蒙特卡洛概率模拟法应用到液体火箭发动机热辐射传递计算中：将液体火箭发动机热辐射表面向外传输辐射能量的过程分解为发射、透射、反射、吸收和散射等一系列独立的子过程，并把它们转化为随机问题，令每个辐射单元发射一定数量的光束，通过跟踪、统计每束光束的归宿得到发动机组件的辐射能量分配结果。

(3)本发明公开了一种液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法，通过光束不携带能量的蒙特卡洛法，获得从一个辐射单元经一次投射以及经辐射系统内其它各单元一次或多次反射和散射后，最终被另一个单元吸收的份额，从而使概率模拟与温度场计算分离。引入无量纲辐射传递因子，将液体火箭发动机各辐射单元间的空间位置、几何形状、介质的辐射物性(包括吸收系数、散射系数和衰减系数)、接收单元的界面辐射特性(包括吸收率、反射率和透射率)等与温度分离，从而使无量纲辐射传递因子在能量方程迭代求解的过程中保持不变或做微小的扰动。

(4)本发明公开了一种液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法，利用无量纲辐射传递因子建立液体火箭发动机辐射单元之间的热平衡关系。根据无量纲辐射传递因子的完整性、相对性、守恒性及对称性，获得在一个液体火箭发动机辐射系统中，从热源表面发射，最终投射到受热表面的辐射热流分布与热流值。当热源温度变化后，仅需调整热流平衡方程中相应的温度数据，仍沿用已有的无量纲辐射传递因子，即可直接获得最新的热流数据。

(5)本发明公开了一种液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法，节约了计算资源，显著提高了计算效率，计算无量纲辐射传递因子的时间为秒级或分钟级别，所需存储空间通常为几十或几百K量级。

附图说明

图1是本发明实施例中一种液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

如图1，在本实施例中，该液体火箭发动机组件固体壁面辐射热流数值模拟方法，包括：

步骤1，建立分析对象的三维几何模型。

在本实施例中，可基于三维几何建模软件建立分析对象的三维几何模型，即，在三维几何建模软件中建立分析对象的三维几何模型，并按实际情况排布三维几何模型中各结构的空间位置。其中，分析对象的辐射表面特性均为漫射灰表面，所研究表面的不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的。

在本实施例中，分析对象包括但不仅限于液体火箭发动机组件，液体火箭发动机组件主要包括两大类结构：热源和受热体。

步骤2，建立三维几何模型对应的仿真几何模型。

在本实施例中，可将三维几何模型导入至热分析软件，对三维几何模型进行简化，去除对辐射传热影响小于设定阈值的几何要素(主要包括连接螺钉和小孔，其中小孔的面积所占百分比不应大于5％)，或根据三维几何模型的结构特点将三维几何模型简化为由规则型面组成的几何体，在将三维几何模型简化为由规则型面组成的几何体时应保持表面面积和导热截面积不变(如，将复杂的曲面简化为多个平面的组合，但简化前后的面积应相等，且面法向应基本保持一致，偏差不超过±5°)。简化的结构即为三维几何模型对应的仿真几何模型。需要说明的是，在简化过程中需保持三维几何模型中各结构的空间位置和相对可视关系不变。

步骤3，对仿真几何模型进行热分析网格划分，并对划分后的网格进行参数配置。

在本实施例中，对仿真几何模型进行热分析网格划分主要是指：基于仿真几何模型，对仿真几何模型进行区域离散，将仿真几何模型划分成多个子区域，确定每个子区域中的节点，从而得到划分后的网格，并对划分得到的各网格进行分组和编号，对每个网格节点进行命名。

在本实施例中，对划分后的网格进行参数配置主要包括：1)设置各网格的材料辐射特性参数；确定各网格覆盖的结构件的材料；根据各网格覆盖的结构件的材料的特性，设置各网格的表面发射率与吸收率。其中，热源网格的表面发射率依据材料实际特性设置，受热体网格的表面发射率统一设为1；热源网格指覆盖热源的网格，受热体网格指覆盖受热体的网格。2)设置各网格节点间的辐射换热关系：建立辐射换热分析组，根据辐射可视关系建立一个或多个分析组，每个辐射分析组为一个封闭辐射空间，属于某个辐射分析组的辐射表面仅在该分析组内产生辐射换热，辐射表面由位于表面上的一个或数个网格节点表示；选中某一结构的辐射表面然后为其赋予光学特性，并按可视关系归入相应的辐射换热分析组。

步骤4，设置各网格节点的射线数和射线截断分数。其中，网格节点为网格的中心点。

步骤5，根据设置的各网格节点的射线数和射线截断分数，计算得到网格节点间的无量纲辐射传递因子。

在本实施例中，可根据设置的各网格节点的射线数和射线截断分数，基于射线追踪法，进行辐射换热求解：令每个网格节点发射一定量的光束，跟踪、统计每束光束的归宿(被表面吸收，或从辐射换热分析组中透射出或逸出)，得到各网格节点辐射能量分配的统计结果；进而得到从一个表面发出的辐射能量，经过一次投射以及经过辐射换热分析组内其它各表面一次或多次反射和散射后，最终被另一个表面吸收的份额，从而得到每两个网格节点间的无量纲辐射传递因子，即从一个节点辐射的能量被另一个节点所吸收的份额值。

在本实施例中，每组网格节点由两个网格节点构成，每组网格节点中的两个网格节点可以是不同网格节点也可以是同一个网格节点。网格节点间的无量纲辐射传递因子的百分比总和大于95％；若计算得到的网格节点间的无量纲辐射传递因子的百分比总和不大于95％，则重新设置各网格节点的射线数和射线截断分数，或重新对仿真几何模型进行热分析网格划分，直至计算得到的网格节点间的无量纲辐射传递因子的百分比总和大于95％。

步骤6，根据网格节点间的无量纲辐射传递因子，计算得到热源投射到受热体表面的辐射热流密度。

在本实施例中，将热源上的网格节点记作网格节点1、受热体上的网格节点即为网格节点2，则，热源投射到受热体表面的辐射热流密度即为网格节点1所占区域的表面投射到网格节点2所占区域的表面的辐射热流q

进一步的，q

其中，Q

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。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。