变推力固体发动机喉栓喷管型面一体化优化设计方法

技术领域

本申请涉及固体火箭发动机的参数优化设计技术领域，特别是涉及变推力固体发动机喉栓喷管型面一体化优化设计方法和装置。

背景技术

固体火箭发动机是在导弹、火箭等航天运载器中广泛应用的动力系统之一，具有结构简单、维护方便、可靠性高、可长期处于战备状态等优点，但是，传统固体火箭发动机缺乏节流措施，需要对装药构型进行详细设计以满足特定推力方案。变推力固体发动机不仅保留了传统固体发动机的诸多优点，而且推力调节具有主动性、实时性、可大范围无极调节，可提高固体火箭发动机性能，增强导弹机动性和突防能力，大幅提升导弹射程，已发展成为固体火箭发动机推力调节的重要研究方向。但是，喉栓运动改变喷管喉部面积实现推力调控的同时，不可避免地会影响喷管内燃气的流动情况，造成流动损失，甚至出现流动分离现象，为减小喉栓介入所引起的流动损失，需对喷管型面及喉栓型面进行整体优化。

目前常用的喉栓喷管型面优化设计方法有：

基于喉栓式喷管的几何模型，直接采用Fluent及优化算法进行优化设计：首先建立喉栓式喷管的参数化模型，确定设计变量、优化目标，通常设计变量为喷管及喉栓的尺寸参数，通过这些参数可以唯一确定喉栓式喷管的几何构型，优化目标为该构型仿真得到的流动损失最小。此类方法能够实现型面参数精确的自动优化设计，且设计结果可靠，但是此类方法通常需要进行大量的仿真计算，且CFD模型求解耗时，直接进行数值优化设计计算成本难以接受，难以直接应用于工程实际。

通过Fluent对喉栓式喷管某一特定工况进行数值仿真，并基于少量样本点建立代理模型用来代替求解耗时的CFD模型进行优化设计。此类方法能够以较小的计算代价实现喉栓及喷管型面的优化设计，结果较为准确，但是变推力发动机实际工作过程中喉栓需在一定范围内移动，仅针对喉栓某特定位置进行型面优化无法综合考量发动机的性能。

上述两种方法，或是能够解决准确性的问题，但是存在效率低的问题，亦或是能够解决效率低的问题，但是存在准确性不足的问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够准确考量变推力固体发动机性能且型面优化设计效率较高的变推力固体发动机喉栓喷管型面设计方法、装置、计算机设备和存储介质。

一种变推力固体发动机喉栓喷管型面设计方法，所述方法包括：

根据变推力固体发动机的喉栓和喷管的设计指标要求，设定所述变推力固体发动机需要计算的工况数量；根据所述设计指标要求和所述工况数量，构建喉栓喷管型面的设计模型；

根据所述设计模型，确定等效喉部面积变化区间；将所述等效喉部面积变化区间进行等分，得到每种工况对应的喉栓运动区间，根据所述喉栓运动区间，建立设计模型与实际比冲的计算关系；

采用优化拉丁超立方实验设计方法，在所述设计模型内生成初始样本点；

根据所述计算关系，采用CFD模型，计算每个初始样本点在各个工况下所述喷管的实际比冲，并得到每个初始样本点在所有工况下所述喷管的平均实际比冲；

根据每个初始样本点及其对应的平均实际比冲，构建初始样本点集，根据初始样本点集，构建代理模型，采用差分进化算法，对代理模型进行非精确寻优搜索，得到优选样本点；

根据所述计算关系，采用CFD模型，计算每个优选样本点在各个工况下所述喷管的优选实际比冲，并得到每个优选样本点在所有工况下所述喷管的优选平均实际比冲；

根据CFD模型、平均实际比冲和优选平均实际比冲，判断是否达到第一收敛条件，当达到第一收敛条件时，得到喉栓喷管型面的设计模型的最优解。

在其中一个实施例中，根据所述喉栓运动区间，建立设计模型与实际比冲的计算关系包括：

获取喉栓运动区间的第一端点和第二端点，根据所述第一端点和所述第二端点确定所述喉栓运动区间的长度；

根据所述第一端点和所述第二端点确定所述喉栓运动区间的中点，以及所述喉栓运动区间的中点对应的等效喉部面积；

判断所述等效喉部面积不等于当前工况对应的采样喉部面积，将所述等效喉部面积与所述采样喉部面积进行比较，根据比较结果采用所述中点对当前第一端点或当前第二端点进行更新，直到下一时刻第一端点和下一时刻第二端点的距离与所述喉栓运动区间的长度的比值达到第二收敛条件，输出下一时刻喉栓运动区间的中点所对应的等效喉部面积；下一时刻喉栓运动区间的中点所对应的等效喉部面积为所需等效喉部面积；

根据所需等效喉部面积，利用平衡压强公式计算燃烧室压强，并得到喉栓位置，将燃烧室压强设置为CFD模型计算实际比冲的入口总压，将喉栓位置代入CFD模型，建立设计模型与实际比冲的计算关系。

在其中一个实施例中，根据所述喉栓运动区间，建立设计模型与实际比冲的计算关系还包括：

判断所述等效喉部面积等于当前工况对应的采样喉部面积，输出所述等效喉部面积；所述等效喉部面积为所需等效喉部面积。

在其中一个实施例中，所述采用差分进化算法，对代理模型进行非精确寻优搜索，得到优选样本点包括：

采用差分进化算法生成新个体；

根据所述新个体，构建优化模型，得到所述新个体的代理模型预测值；

对所述代理模型预测值进行评估，输出代理模型预测值对应的新个体，得到优选样本点。

在其中一个实施例中，所述对代理模型预测值进行评估，输出代理模型预测值对应的新个体，得到优选样本点包括：

判断所述代理模型预测值不大于初始样本点集的参考值，对所述新个体采用差分进化算法重新生成下一代新个体，得到下一代新个体的代理模型预测值，并重新对下一代新个体的代理模型预测值进行评估，直到当前代理模型预测值大于初始样本点集的参考值，输出当前代理模型预测值对应的新个体，得到优选样本点；

所述初始样本点集的参考值为：初始样本点集中各个平均实际比冲的最大值。

在其中一个实施例中，第一收敛条件为判断CFD模型调用的次数及平均实际比冲不再更新的次数；

所述根据CFD模型、平均实际比冲和优选平均实际比冲，判断是否达到第一收敛条件，当达到第一收敛条件时，得到喉栓喷管型面的设计模型的最优解包括：

若CFD模型调用的次数未达到第一预设值，或平均实际比冲不再更新的次数未达到第二预设值，则利用优选样本点更新初始样本点集，重新确定当前样本点集的参考值，重新构建代理模型，重新采用差分进化算法生成新个体，重新对代理模型预测值进行评估，重新得到优选样本点及其对应的优选平均实际比冲，并再次判断是否达到第一收敛条件，直至CFD模型调用的次数达到第一预设值，或平均实际比冲不再更新的次数达到第二预设值，则输出当前样本点，得到喉栓喷管型面的设计模型的最优解。

在其中一个实施例中，所述利用优选样本点更新初始样本点集包括：

将所述优选样本点对应的优选平均实际比冲与初始样本点集中的最小值进行比较，若所述优选平均实际比冲大于初始样本点集中的最小值，采用所述优选平均实际比冲对所述最小值进行更新；

若所述优选平均实际比冲不大于初始样本点集中的最小值，所述初始样本点集不变。

一种变推力固体发动机喉栓喷管型面设计装置，所述装置包括：

模型构建模块，用于根据变推力固体发动机的喉栓和喷管的设计指标要求，设定所述变推力固体发动机需要计算的工况数量；根据所述设计指标要求和所述工况数量，构建喉栓喷管型面的设计模型；

等效模块，用于根据所述设计模型，确定等效喉部面积变化区间；将所述等效喉部面积变化区间进行等分，得到每种工况对应的喉栓运动区间，根据所述喉栓运动区间，建立每种工况与所述喷管的实际比冲的计算关系；

样本采集模块，用于采用优化拉丁超立方实验设计方法，在所述设计模型内生成初始样本点；

第一计算模块，用于根据所述计算关系，采用CFD模型，计算每个初始样本点在各个工况下所述喷管的实际比冲，并得到每个初始样本点在所有工况下所述喷管的平均实际比冲；

更新模块，用于根据每个初始样本点及其对应的平均实际比冲，构建初始样本点集，根据初始样本点集，构建代理模型，采用差分进化算法，对代理模型进行非精确寻优搜索，得到优选样本点；

第二计算模块，用于根据所述计算关系，采用CFD模型，计算每个优选样本点在各个工况下所述喷管的优选实际比冲，并得到每个优选样本点在所有工况下所述喷管的优选平均实际比冲；

输出模块，用于根据CFD模型、平均实际比冲和优选平均实际比冲，判断是否达到第一收敛条件，当达到第一收敛条件时，得到喉栓喷管型面的设计模型的最优解。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

根据变推力固体发动机的喉栓和喷管的设计指标要求，设定所述变推力固体发动机需要计算的工况数量；根据所述设计指标要求和所述工况数量，构建喉栓喷管型面的设计模型；

根据所述设计模型，确定等效喉部面积变化区间；将所述等效喉部面积变化区间进行等分，得到每种工况对应的喉栓运动区间，根据所述喉栓运动区间，建立每种工况与所述喷管的实际比冲的计算关系；

采用优化拉丁超立方实验设计方法，在所述设计模型内生成初始样本点；

根据所述计算关系，采用CFD模型，计算每个初始样本点在各个工况下所述喷管的实际比冲，并得到每个初始样本点在所有工况下所述喷管的平均实际比冲；

根据每个初始样本点及其对应的平均实际比冲，构建初始样本点集，根据初始样本点集，构建代理模型，采用差分进化算法，对代理模型进行非精确寻优搜索，得到优选样本点；

根据所述计算关系，采用CFD模型，计算每个优选样本点在各个工况下所述喷管的优选实际比冲，并得到每个优选样本点在所有工况下所述喷管的优选平均实际比冲；

根据CFD模型、平均实际比冲和优选平均实际比冲，判断是否达到第一收敛条件，当达到第一收敛条件时，得到喉栓喷管型面的设计模型的最优解。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据变推力固体发动机的喉栓和喷管的设计指标要求，设定所述变推力固体发动机需要计算的工况数量；根据所述设计指标要求和所述工况数量，构建喉栓喷管型面的设计模型；

根据所述设计模型，确定等效喉部面积变化区间；将所述等效喉部面积变化区间进行等分，得到每种工况对应的喉栓运动区间，根据所述喉栓运动区间，建立每种工况与所述喷管的实际比冲的计算关系；

采用优化拉丁超立方实验设计方法，在所述设计模型内生成初始样本点；

根据所述计算关系，采用CFD模型，计算每个初始样本点在各个工况下所述喷管的实际比冲，并得到每个初始样本点在所有工况下所述喷管的平均实际比冲；

根据每个初始样本点及其对应的平均实际比冲，构建初始样本点集，根据初始样本点集，构建代理模型，采用差分进化算法，对代理模型进行非精确寻优搜索，得到优选样本点；

根据所述计算关系，采用CFD模型，计算每个优选样本点在各个工况下所述喷管的优选实际比冲，并得到每个优选样本点在所有工况下所述喷管的优选平均实际比冲；

根据CFD模型、平均实际比冲和优选平均实际比冲，判断是否达到第一收敛条件，当达到第一收敛条件时，得到喉栓喷管型面的设计模型的最优解。

上述变推力固体发动机喉栓喷管型面设计方法、装置、计算机设备和存储介质，以喉栓和喷管的设计模型为设计变量，以喉栓不同运动区间所对应的不同工况下的平均实际比冲为目标函数，建立设计模型与实际比冲的关系，可以同时考量变推力固体发动机在多种工况下的综合性能，提高设计优化的准确率；同时运用代理模型和差分进化算法进行样本点的更新和迭代，直至达到给定的条件，迭代过程简单高效，计算成本小，提高设计优化的效率；上述方法兼顾了设计优化的准确率和效率，结果更为可靠，实现了喉栓喷管全局最优设计。

附图说明

图1为一个实施例中喉栓喷管型面设计方法的流程示意图；

图2为一个实施例中建立设计模型与实际比冲计算关系步骤的流程示意图；

图3为一个实施例中喉栓喷管型面示意图；

图4为一个实施例中变推力固体发动机喉栓喷管型面设计的流程图；

图5为一个实施例中收敛曲线示意图；

图6为一个实施例中优化前的流场马赫数云图；图6（a）表示优化前工况1的流场马赫数云图；图6（b）表示优化前工况2的流场马赫数云图；图6（c）表示优化前工况3的流场马赫数云图；

图7为一个实施例中优化后的流场马赫数云图；图7（a）表示优化后工况1的流场马赫数云图；图7（b）表示优化后工况2的流场马赫数云图；图7（c）表示优化后工况3的流场马赫数云图；

图8为一个实施例中喷管出口径向速度的示意图；

图9为一个实施例中变推力固体发动机喉栓喷管型面设计装置的结构框图；

图10为一个实施例中计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种变推力固体发动机喉栓喷管型面设计方法，包括以下步骤：

步骤102，根据变推力固体发动机的喉栓和喷管的设计指标要求，设定变推力固体发动机需要计算的工况数量；根据设计指标要求和工况数量，构建喉栓喷管型面的设计模型。

变推力固体发动机的喉栓和喷管的设计指标要求包括喉栓和喷管的构型参数及其范围。一般情况下，喷管的构型参数为：扩张段过渡圆弧半径

变推力固体发动机的工况及数量均是给定的，工况可以选择喉栓未介入状态、喉栓部分介入状态（等效喉部面积减小50%）、喉栓完全介入状态等，工况数量

在对喉栓喷管进行型面设计时，一般会考虑变推力固体发动机的喷管和喉栓的构型参数，在确定构型参数并给定工况之后，根据设计模型，可以得到对应的型面。具体的，喉栓喷管的型面示意如图3所示，喉栓喷管的型面即喉栓喷管的几何构型。

根据设计指标要求和工况数量，构建设计模型，即在要求的范围内，确定一种喉栓喷管的构型参数及多种工况，设计模型与构型参数一一对应。

步骤104，根据设计模型，确定等效喉部面积变化区间；将等效喉部面积变化区间进行等分，得到每种工况对应的喉栓运动区间；根据喉栓运动区间，建立设计模型与实际比冲的计算关系。

根据喷管和喉栓的构型参数及工况数，计算喉栓的有效行程，并得到该有效行程对应的等效喉部面积变化区间

将等效喉部面积变化区间

工况确定，则喉栓的等效喉部面积也随之确定，且喉栓的等效喉部面积与其喉栓运动区间和喉栓位置均一一对应。

喷管和喉栓的构型参数及工况与实际比冲建立了对应关系，则多种工况可以得到多个实际比冲及平均实际比冲，而一种设计模型对应多个工况，因此可以通过平均实际比冲来考量该构型参数在多个工况下的表现，从而实现设计模型的优化，提高型面设计优化的准确率。

步骤106，采用优化拉丁超立方实验设计方法，在设计模型内生成初始样本点。

拉丁超立方抽样是一种从多元参数分布中近似随机抽样的方法，属于分层抽样技术，常用于计算机实验或蒙特卡洛积分等。初始样本点与设计模型一一对应。初始样本点的数量通常取构型参数的2~5倍，具体的，可以选择20个。

步骤108，根据计算关系，采用CFD模型，计算每个初始样本点在各个工况下喷管的实际比冲，并得到每个初始样本点在所有工况下喷管的平均实际比冲。

采用CFD模型计算实际比冲是现有技术。

根据实际比冲，计算平均实际比冲的过程如下：

式中，

步骤110，根据每个初始样本点及其对应的平均实际比冲，构建初始样本点集，根据初始样本点集，构建代理模型，采用差分进化算法，对代理模型进行非精确寻优搜索，得到优选样本点。

初始样本点集是每个初始样本点及其对应的平均实际比冲的集合。

代理模型即克里金法（Kriging）模型，是依据协方差函数对随机过程/随机场进行空间建模和预测（插值）的回归算法。在特定的随机过程，例如固有平稳过程中，克里金法能够给出最优线性无偏估计，实现对任意输入点实际平均比冲的预测。

差分进化算法通过随机生成初始种群，以种群中每个个体的适应度值为选择标准，主要过程也都包括变异、交叉和选择三个步骤。差分进化算法变异向量是由父代差分向量生成，并与父代个体向量交叉生成新个体向量，直接与其父代个体进行选择。差分进化算法相对遗传算法的逼近效果更加显著。

步骤112，根据计算关系，采用CFD模型，计算每个优选样本点在各个工况下喷管的优选实际比冲，并得到每个优选样本点在所有工况下喷管的优选平均实际比冲。

对于优选样本点，采用与初始样本点一样的方法，利用CFD模型得到每个优选样本点在每种工况下的优选实际比冲和在所有工况下的优选平均实际比冲。

步骤114，根据CFD模型、平均实际比冲和优选平均实际比冲，判断是否达到第一收敛条件，当达到第一收敛条件时，得到喉栓喷管型面的设计模型的最优解。

进行收敛判断，如果达到了预设的第一收敛条件，则对应的当前样本点就是最优的设计模型，输出其构型参数作为本次喉栓喷管型面的设计最优解。

第一收敛条件可以是设置的迭代次数，也可以是设置的参数阈值，本步骤对此不作限制，具体可以根据实际需求设置。

上述变推力固体发动机喉栓喷管型面设计方法、装置、计算机设备和存储介质，以喉栓和喷管的设计模型为设计变量，以喉栓不同运动区间所对应的不同工况下的平均实际比冲为目标函数，建立设计模型与实际比冲的关系，可以同时考量变推力固体发动机在多种工况下的综合性能，提高设计优化的准确率；同时运用代理模型和差分进化算法进行样本点的更新和迭代，直至达到给定的条件，迭代过程简单高效，计算成本小，提高设计优化的效率；上述方法兼顾了设计优化的准确率和效率，结果更为可靠，实现了喉栓喷管全局最优设计。

在一个实施例中，如图2所示，根据喉栓运动区间，建立设计模型与实际比冲的计算关系包括如下步骤：

步骤202：获取喉栓运动区间的第一端点和第二端点，根据第一端点和第二端点确定喉栓运动区间的长度。

步骤204：根据第一端点和第二端点确定喉栓运动区间的中点，以及喉栓运动区间的中点对应的等效喉部面积。

步骤206：判断等效喉部面积不等于当前工况对应的采样喉部面积，将等效喉部面积与采样喉部面积进行比较，根据比较结果采用中点对当前第一端点或当前第二端点进行更新，直到下一时刻第一端点和下一时刻第二端点的距离与喉栓运动区间的长度的比值达到第二收敛条件，输出下一时刻喉栓运动区间的中点所对应的等效喉部面积；下一时刻喉栓运动区间的中点所对应的等效喉部面积为所需等效喉部面积。

步骤208：根据所需等效喉部面积，利用平衡压强公式计算燃烧室压强，并得到喉栓位置，将燃烧室压强设置为CFD模型计算实际比冲的入口总压，将喉栓位置代入CFD模型，建立设计模型与实际比冲的计算关系。

具体的，设第

根据喉栓运动区间的第一端点

判断等效喉部面积

根据

式中，

将燃烧室压强设置为CFD模型计算实际比冲的入口总压，将喉栓位置代入CFD模型，建立设计模型与实际比冲的计算关系即：采用可压缩流动的二维轴对称守恒型N-S方程，对流项采用一阶迎风格式离散，扩散项采用中心差分格式离散，湍流模型采用realizable

在一个实施例中，根据喉栓运动区间，建立设计模型与实际比冲的计算关系还包括：判断等效喉部面积等于当前工况对应的采样喉部面积，输出等效喉部面积；等效喉部面积为所需等效喉部面积。

具体的，判断等效喉部面积

在一个实施例中，采用差分进化算法，对代理模型进行非精确寻优搜索，得到优选样本点包括：采用差分进化算法生成新个体；根据新个体，构建优化模型，得到新个体的代理模型预测值；对代理模型预测值进行评估，输出代理模型预测值对应的新个体，得到优选样本点。

采用差分进化算法生成新个体的过程包括如下步骤：

步骤a：算法初始化，随机生成初始种群；

步骤b：进行差分变异，生成新的个体：

式中，

步骤c：进行交叉，生成新的个体：

式中，

根据新个体，构建优化模型，得到新个体的代理模型预测值的过程即建立优化模型如下：

式中，

对代理模型预测值进行评估，如果满足我们预设的条件，则输出代理模型预测值对应的新个体，得到优选样本点。

在一个实施例中，对代理模型预测值进行评估，输出代理模型预测值对应的新个体，得到优选样本点包括：判断代理模型预测值不大于初始样本点集的参考值，对新个体采用差分进化算法重新生成下一代新个体，得到下一代新个体的代理模型预测值，并重新对下一代新个体的代理模型预测值进行评估，直到当前代理模型预测值大于初始样本点集的参考值，输出当前代理模型预测值对应的新个体，得到优选样本点；初始样本点集的参考值为：初始样本点集中各个平均实际比冲的最大值。

本实施例中，对代理模型预测值进行评估是指：判断代理模型预测值

初始样本点集的参考值

式中，

当代理模型预测值

在一个实施例中，第一收敛条件为判断CFD模型调用的次数及平均实际比冲不再更新的次数；根据CFD模型、平均实际比冲和优选平均实际比冲，判断是否达到第一收敛条件，当达到第一收敛条件时，得到喉栓喷管型面的设计模型的最优解包括：若CFD模型调用的次数未达到第一预设值，或平均实际比冲不再更新的次数未达到第二预设值，则利用优选样本点更新初始样本点集，重新确定当前样本点集的参考值，重新构建代理模型，重新采用差分进化算法生成新个体，重新对代理模型预测值进行评估，重新得到优选样本点及其对应的优选平均实际比冲，并再次判断是否达到第一收敛条件，直至CFD模型调用的次数达到第一预设值，或平均实际比冲不再更新的次数达到第二预设值，则输出当前样本点，得到喉栓喷管型面的设计模型的最优解。

第一预设值是CFD模型的最大调用次数，第二预设值是平均实际比冲不再更新的最大连续次数。输出当前样本点，即可得到当前样本点对应的构型参数，因此可以得到喉栓喷管型面的设计模型的最优解。

在一个实施例中，利用优选样本点更新初始样本点集包括：将优选样本点对应的优选平均实际比冲与初始样本点集中的最小值进行比较，若优选平均实际比冲大于初始样本点集中的最小值，采用优选平均实际比冲对最小值进行更新；若优选平均实际比冲不大于初始样本点集中的最小值，初始样本点集不变。

采用优选平均实际比冲对最小值进行更新，即将初始样本点集中的最小值替换为优选平均实际比冲。

应该理解的是，虽然图1-2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1-2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个具体的实施例中，如图4所示，变推力固体发动机喉栓喷管型面设计的流程图。

首先，根据设计指标要求，喉栓喷管的构型参数及其范围如表1所示，其中

表1构型参数、取值范围及设计模型

给定每种构型参数需计算的三种工况，即工况1：喉栓未介入状态、工况2：喉栓部分介入状态（等效喉部面积减小50%）、工况3：喉栓完全介入状态。

构建设计模型，得到喉栓喷管的型面。

根据喷管和喉栓的构型参数及工况，计算喉栓的有效行程，并得到该有效行程对应的等效喉部面积变化区间

设第

判断等效喉部面积

根据

式中，

将燃烧室压强设置为CFD模型计算实际比冲的入口总压，将喉栓位置代入CFD模型，建立设计模型与实际比冲的计算关系：采用可压缩流动的二维轴对称守恒型N-S方程，对流项采用一阶迎风格式离散，扩散项采用中心差分格式离散，湍流模型采用realizable

根据实际比冲

式中，

通过上述步骤，设计模型与实际比冲的计算关系已建立完毕。

采用优化拉丁超立方设计方法，在设计模型内生成20个初始样本点；对于每个初始样本点，分别计算其在3种工况条件下的燃烧室压强及喉栓位置，建立喉栓式喷管的几何模型；以燃烧室压强为入口总压，代入喉栓位置，采用CFD仿真模型，分别计算3种工况下的实际比冲，并取其平均值为平均实际比冲。

根据每个初始样本点及其对应的平均实际比冲，构建初始样本点集，根据初始样本点集，构建代理模型，采用差分进化算法，对代理模型进行非精确寻优搜索，得到优选样本点；对于每个优选样本点，采用CFD仿真模型，分别计算3种工况下的优选实际比冲，并取其平均值为优选平均实际比冲。

进行收敛判定：若CFD模型的调用次数大于设定的最大调用次数，或平均实际比冲不再更新的连续次数达到设定值，则输出当前样本点为设计模型的最优解；否则，进行下一步迭代，即：更新样本点集，更新代理模型，重新得到新的样本点，重新采用CFD模型进行计算，并再次进行收敛判定，直至得到最优解。

数次迭代后，收敛曲线如图5所示。

经变推力固体发动机喉栓喷管型面一体化优化设计方法优化后，结果如表2所示。

表2优化结果对比

可以发现，通过对相关构型参数的优化，喉栓式喷管的平均实际比冲由2252.152增加至2306.296，提升2.41%。

还对比图6图7所示的优化前后流场马赫数云图，优化后的型面使得喉栓头部下游的激波明显减弱，亚音速区域减小，这有助于减小流动过程中的损失，提高实际比冲。

另外，如图8所示的喷管出口截面的径向速度。某种程度上，发动机的比冲损失与径向速度成正比。由图8可知，优化后型面的径向速度在3种工况下都明显减小，因此，优化后的型面能够减小流动损失，获得更高的平均实际比冲。

综上，经过本方法的优化，喉栓喷管的实际比冲和平均实际比冲都有显著提高，可以证明，本方法的结果可靠且计算过程简单，兼顾了设计优化的准确率和效率，实现了喉栓喷管全局最优设计。

在一个实施例中，如图9所示，提供了一种变推力固体发动机喉栓喷管型面设计装置，包括：模型构建模块902、等效模块904、样本采集模块906、第一计算模块908、更新模块910、第二计算模块912和输出模块914，其中：

模型构建模块902，用于根据变推力固体发动机的喉栓和喷管的设计指标要求，设定所述变推力固体发动机需要计算的工况数量；根据所述设计指标要求和所述工况数量，构建喉栓喷管型面的设计模型；

等效模块904，用于根据所述设计模型，确定等效喉部面积变化区间；将所述等效喉部面积变化区间进行等分，得到每种工况对应的喉栓运动区间；根据所述喉栓运动区间，建立设计模型与实际比冲的计算关系；

样本采集模块906，用于采用优化拉丁超立方实验设计方法，在所述设计模型内生成初始样本点；

第一计算模块908，用于根据所述计算关系，采用CFD模型，计算每个初始样本点在各个工况下所述喷管的实际比冲，并得到每个初始样本点在所有工况下所述喷管的平均实际比冲；

更新模块910，用于根据每个初始样本点及其对应的平均实际比冲，构建初始样本点集；根据初始样本点集，构建代理模型；采用差分进化算法，对代理模型进行非精确寻优搜索，得到优选样本点；

第二计算模块912，用于根据所述计算关系，采用CFD模型，计算每个优选样本点在各个工况下所述喷管的优选实际比冲，并得到每个优选样本点在所有工况下所述喷管的优选平均实际比冲；

输出模块914，用于根据CFD模型、平均实际比冲和优选平均实际比冲，判断是否达到第一收敛条件，当达到第一收敛条件时，得到喉栓喷管型面的设计模型的最优解。

在一个实施例中，等效模块904还用于根据喉栓运动区间，建立设计模型与实际比冲的计算关系包括：获取喉栓运动区间的第一端点和第二端点，根据第一端点和第二端点确定喉栓运动区间的长度；根据第一端点和第二端点确定喉栓运动区间的中点，以及喉栓运动区间的中点对应的等效喉部面积；判断等效喉部面积不等于当前工况对应的采样喉部面积，将等效喉部面积与采样喉部面积进行比较，根据比较结果采用中点对当前第一端点或当前第二端点进行更新，直到下一时刻第一端点和下一时刻第二端点的距离与喉栓运动区间的长度的比值达到第二收敛条件，输出下一时刻喉栓运动区间的中点所对应的等效喉部面积；下一时刻喉栓运动区间的中点所对应的等效喉部面积为所需等效喉部面积；根据所需等效喉部面积，利用平衡压强公式计算燃烧室压强，并得到喉栓位置，将燃烧室压强设置为CFD模型计算实际比冲的入口总压，将喉栓位置代入CFD模型，建立设计模型与实际比冲的计算关系。

在一个实施例中，等效模块904还用于根据喉栓运动区间，建立设计模型与实际比冲的计算关系还包括：判断等效喉部面积等于当前工况对应的采样喉部面积，输出等效喉部面积；等效喉部面积为所需等效喉部面积。

在一个实施例中，更新模块910还用于采用差分进化算法，对代理模型进行非精确寻优搜索，得到优选样本点包括：采用差分进化算法生成新个体；根据新个体，构建优化模型，得到新个体的代理模型预测值；对代理模型预测值进行评估，输出代理模型预测值对应的新个体，得到优选样本点。

在一个实施例中，更新模块910还用于对代理模型预测值进行评估，输出代理模型预测值对应的新个体，得到优选样本点包括：判断代理模型预测值不大于初始样本点集的参考值，对新个体采用差分进化算法重新生成下一代新个体，得到下一代新个体的代理模型预测值，并重新对下一代新个体的代理模型预测值进行评估，直到当前代理模型预测值大于初始样本点集的参考值，输出当前代理模型预测值对应的新个体，得到优选样本点；初始样本点集的参考值为：初始样本点集中各个平均实际比冲的最大值。

在一个实施例中，输出模块914还用于第一收敛条件为判断CFD模型调用的次数及平均实际比冲不再更新的次数；根据CFD模型、平均实际比冲和优选平均实际比冲，判断是否达到第一收敛条件，当达到第一收敛条件时，得到喉栓喷管型面的设计模型的最优解包括：若CFD模型调用的次数未达到第一预设值，或平均实际比冲不再更新的次数未达到第二预设值，则利用优选样本点更新初始样本点集，重新确定当前样本点集的参考值，重新构建代理模型，重新采用差分进化算法生成新个体，重新对代理模型预测值进行评估，重新得到优选样本点及其对应的优选平均实际比冲，并再次判断是否达到第一收敛条件，直至CFD模型调用的次数达到第一预设值，或平均实际比冲不再更新的次数达到第二预设值，则输出当前样本点，得到喉栓喷管型面的设计模型的最优解。

在一个实施例中，输出模块914还用于利用优选样本点更新初始样本点集包括：将优选样本点对应的优选平均实际比冲与初始样本点集中的最小值进行比较，若优选平均实际比冲大于初始样本点集中的最小值，采用优选平均实际比冲对最小值进行更新；若优选平均实际比冲不大于初始样本点集中的最小值，初始样本点集不变。

关于变推力固体发动机喉栓喷管型面设计装置的具体限定可以参见上文中对于变推力固体发动机喉栓喷管型面设计方法的限定，在此不再赘述。上述变推力固体发动机喉栓喷管型面设计装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图10所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种变推力固体发动机喉栓喷管型面设计方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图10中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述实施例中方法的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。