一种脉冲爆震管性能计算方法和装置与流程

本发明涉及脉冲爆震管性能计算，尤其涉及一种脉冲爆震管性能计算方法和装置。

背景技术：

脉冲爆震管按照一定频率周期性的工作，其出口的总焓与总压等热力参数随时间往复变化。为了表征脉冲爆震管的综合性能，需要根据其进口流动状态，确定出口的总焓和总压。当前脉冲爆震管性能的计算方法主要包括稳态极限方法、封闭端方法和特性图方法等。稳态极限方法假设爆震的频率无限大，基于理论解析结果，以爆震波后的最高参数作为性能参数。封闭端方法在稳态极限方法的基础上，将稳定传播阶段进口封闭端的参数作为性能参数。特性图方法基于一维非定常仿真结果，拟合出爆震管出口与进口的总焓比和总压比关系曲线，在求得出口总焓后由该曲线插值获得出口总压。

稳态极限方法和封闭端方法均基于理论解析方法，以某一特征时刻、某一特征位置上的性能来表征脉冲爆震管的性能，实施便捷。但由于假设爆震频率无限大，与有限个循环周期的实际情况不符，导致得到的性能偏高。特性图方法的计算结果更加接近真实情况，但是需要计算每个时刻、每个位置上的热力参数，获得特性曲线的过程十分繁琐，工作量巨大。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题的至少一个，本发明提供了一种脉冲爆震管性能计算方法和装置。

本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明的实施例提供了一种脉冲爆震管性能计算方法，包括：

将所述脉冲爆震管的排气阶段分为：脉冲爆震管的进口关闭的第一阶段和脉冲爆震管的进口开启的第二阶段；

将所述脉冲爆震管的进口封闭端的性能参数和所述脉冲爆震管的爆震波后的性能参数，根据爆震波后的均匀区长度和膨胀区长度加权平均计算，获得所述第一阶段脉冲爆震管的出口性能参数；

基于所述进口封闭端的性能参数和所述脉冲爆震管的爆震波前的性能参数，获取所述第二阶段脉冲爆震管的出口性能参数；

将所述第一阶段脉冲爆震管的出口性能参数和所述第二阶段脉冲爆震管的出口性能参数，根据所述脉冲爆震管的气体的质量进行加权平均，获得所述排气阶段的出口性能参数；

将扫气阶段的出口性能参数和所述排气阶段的出口性能参数，根据脉冲爆震管的隔离气体的质量进行加权平均，获得全循环过程脉冲爆震管出口的性能参数。

作为可选的实施方式，所述第一阶段包括：由所述脉冲爆震管的爆震波锋面恰好抵达出口状态至中间均匀状态的阶段；

所述第二阶段包括：由中间均匀状态至隔离空气恰好抵达出口状态的阶段；

其中，所述中间均匀状态为：所述脉冲爆震管内总焓保持为进口封闭端的总焓，且所述脉冲爆震管内总压保持为进口封闭端的总压的状态。

作为可选的实施方式，所述脉冲爆震管的进口封闭端的性能参数，包括所述脉冲爆震管的进口封闭端的总焓和所述脉冲爆震管的进口封闭端的总压；

所述脉冲爆震管的进口封闭端的总焓由以下等式获得：

所述脉冲爆震管的进口封闭端的总压由以下等式获得：

其中，为所述脉冲爆震管的进口封闭端的总温；t1为爆震波前的静温；t2为爆震波后的静温；ma2为爆震波后的马赫数；γ1为爆震波前的气体绝热指数；γ2为爆震波后的气体绝热指数；cp为气体的定压比热；p2为爆震波后的静压；r1为爆震波前的气体常数；r2为爆震波后的气体常数；ma1r爆震波前在相对坐标系下的马赫数，所述相对坐标系为与脉冲爆震波的波锋面相对静止的坐标系。

根据燃烧学理论，两个状态下焓值的差值代表能量的含义，因此计算焓值时需要指定基准状态。本实施例以温度298k、压力1atm最为基准状态。

作为可选的实施方式，所述脉冲爆震管的爆震波后的性能参数，包括脉冲爆震管的爆震波后的在相对坐标系下的总焓和脉冲爆震管的爆震波后的总压；

所述脉冲爆震管的爆震波后在相对坐标系下的总焓由以下等式获得：

其中，f为所述脉冲爆震管内燃油质量；ηb为燃油的燃烧效率；ho为燃油的低热值；为脉冲爆震管的爆震波前在相对坐标系下的总焓；

所述脉冲爆震管的爆震波后的总压由以下等式获得：

其中，为所述脉冲爆震管的爆震波后的总温；λ2为爆震波后的速度因数，τ(λ2)为关于爆震波后的速度因数的气动函数。

作为可选的实施方式，所述根据爆震波后的均匀区长度和膨胀区长度加权平均计算，获得所述第一阶段脉冲爆震管的出口性能参数，包括：

根据以下等式，获得所述第一阶段脉冲爆震管的出口平均总焓和出口平均总压

其中，为爆震波后的总焓；lu为爆震波后的均匀区长度，le为爆震波后的膨胀区的长度。

作为可选的实施方式，所述基于所述进口封闭端的性能参数和所述脉冲爆震管的爆震波前的性能参数，获取所述第二阶段脉冲爆震管的出口性能参数；包括：

根据以下等式获取所述第二阶段脉冲爆震管的出口平均总焓和出口平均总压

其中，为脉冲爆震波前的总压。

作为可选的实施方式，所述将所述第一阶段脉冲爆震管的出口性能参数和所述第二阶段脉冲爆震管的出口性能参数，根据所述脉冲爆震管的气体的质量进行加权平均，获得所述排气阶段的出口性能参数，包括：

根据以下等式获得所述排气阶段的出口总焓和总压

其中，所述fbd1为第一阶段中，脉冲爆震管内气体的质量；所述fbd2为第二阶段中，脉冲爆震管内气体的质量。

作为可选的实施方式，所述将所述扫气阶段的出口性能参数和所述排气阶段的出口性能参数，根据脉冲爆震管的隔离气体的质量进行加权平均，获得全循环过程脉冲爆震管出口的性能参数，包括：

根据以下等式获得所述全循环过程脉冲爆震管出口的总焓*和总压p*；

其中，fp为隔离气体的质量；为脉冲爆震波前的总焓。

作为可选的实施方式，所述第一阶段中，爆震波后的均匀区长度lu和膨胀区长度le满足以下等式：

第二方面，本发明的实施例提供一种脉冲爆震管性能计算装置，包括：

排气阶段分阶段模块，用于将所述脉冲爆震管的排气阶段分为：脉冲爆震管的进口关闭的第一阶段和脉冲爆震管的进口开启的第二阶段；

第一阶段脉冲爆震管的出口性能参数获取模块，用于将所述脉冲爆震管的进口封闭端的性能参数和所述脉冲爆震管的爆震波后的性能参数，根据爆震波后的均匀区长度和膨胀区长度加权平均计算，获得所述第一阶段脉冲爆震管的出口性能参数；

第二阶段脉冲爆震管的出口性能参数获取模块，用于基于所述进口封闭端的性能参数和所述脉冲爆震管的爆震波前的性能参数，获取所述第二阶段脉冲爆震管的出口性能参数；

排气阶段的出口性能参数获取模块，用于将所述第一阶段脉冲爆震管的出口性能参数和所述第二阶段脉冲爆震管的出口性能参数，根据所述脉冲爆震管的气体的质量进行加权平均，获得所述排气阶段的出口性能参数；

全循环过程脉冲爆震管出口的性能参数获取模块，用于将扫气阶段的出口性能参数和所述排气阶段的出口性能参数，根据脉冲爆震管的隔离气体的质量进行加权平均，获得全循环过程脉冲爆震管出口的性能参数。

本发明的实施例与现有技术相比，至少具有如下优点：

本发明的实施例通过将脉冲爆震管的一个全循环周期内的排气阶段分为脉冲爆震管的进口关闭的第一阶段和脉冲爆震管的进口开启的第二阶段，从而通过分析每个阶段中脉冲爆震管出口的总焓和总压等参数，最后通过不同形式的加权平均，快速获得脉冲爆震管的性能，实现了精确性与便捷性的统一。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本发明的方法的流程示意图；

图2是本发明的脉冲爆震管进口关闭状态的压力沿程分布示意图；

图3是本发明脉冲爆震管进口开启状态的压力沿程分布示意图；

图4是基于稳态极限方法、封闭端方法、特性图法和本发明的方法，对脉冲爆震管的性能进行计算和比较的结果示意图；

图5是本发明的装置的逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

需要说明的是，文中的步骤编号，仅为了方便具体实施例的解释，不作为限定步骤执行先后顺序的作用。本实施例提供的方法可以由相关的服务器执行，且下文均以服务器或计算机等电子设备作为执行主体为例进行说明。

实施例一

参照图1，本发明的实施例提供了一种脉冲爆震管性能计算方法，包括：

将脉冲爆震管的排气阶段分为：脉冲爆震管的进口关闭的第一阶段和脉冲爆震管的进口开启的第二阶段；

将脉冲爆震管的进口封闭端的性能参数和脉冲爆震管的爆震波后的性能参数，根据爆震波后的均匀区长度和膨胀区长度加权平均计算，获得第一阶段脉冲爆震管的出口性能参数；

基于进口封闭端的性能参数和脉冲爆震管的爆震波前的性能参数，获取第二阶段脉冲爆震管的出口性能参数；

将第一阶段脉冲爆震管的出口性能参数和第二阶段脉冲爆震管的出口性能参数，根据脉冲爆震管的气体的质量进行加权平均，获得排气阶段的出口性能参数；

将扫气阶段的出口性能参数和排气阶段的出口性能参数，根据脉冲爆震管的隔离气体的质量进行加权平均，获得全循环过程脉冲爆震管出口的性能参数。

本发明的实施例通过将脉冲爆震管的一个全循环周期内的爆震过程分为排气阶段和扫气阶段，并且通过将排气阶段分为脉冲爆震管的进口关闭的第一阶段和脉冲爆震管的进口开启的第二阶段，从而通过分析每个阶段中脉冲爆震管出口的总焓和总压等参数，最后通过不同形式的加权平均，快速获得脉冲爆震管的性能，计算精度与一维非定常仿真相当，不仅简化了计算过程，使得计算工作量与现有方法相比更小，而且计算精度高，实现了精确性与便捷性的统一。

本发明的实施例通过获取脉冲爆震管进口的静温和静压，既脉冲爆震波前的静温t1和静压p1；以脉冲爆震波的波锋面相对静止的坐标系为相对坐标系，根据以下等式确定在相对坐标系下，脉冲爆震波前的总温如下：

其中，γ1为脉冲爆震波前的气体绝热指数，ma1r为在相对坐标系下脉冲爆震波前的马赫数，λ1r为在相对坐标系下脉冲爆震波前的速度因数，τ(λ1r)为关于λ1r的气动函数；

由于脉冲爆震波前的总焓为脉冲爆震波前的总温的多项式函数；因此根据脉冲爆震波前的总温可获得在相对坐标系下脉冲爆震波前的总焓，混合气体的总焓为基于各单一组分的气体总焓，根据质量加权平均获得；总焓给定总温的多项式函数如下：

代入相对坐标系下脉冲爆震波前的总温等参数，如下：

其中，r1为脉冲爆震波前的气体常数，a1～a6为总焓的拟合系数，取值如表1所示：

表1总焓的拟合系数

脉冲爆震管的爆震波后的性能参数，包括脉冲爆震管的爆震波后的在相对坐标系下的总焓和脉冲爆震管的爆震波后的总压；

脉冲爆震管的爆震波后在相对坐标系下的总焓由以下等式获得：

其中，f为脉冲爆震管内燃油质量；ηb为燃油的燃烧效率；ho为燃油的低热值；为脉冲爆震管的爆震波前在相对坐标系下的总焓。

在相对坐标系下，脉冲爆震波前的总温与脉冲爆震波后的总温满足以下等式：

其中，r1为爆震波前的气体常数；r2为爆震波后的气体常数；z(λ1r)为关于λ1r的气动函数；z(λ2r)为关于λ2r的气动函数；γ1为爆震波前的气体绝热指数；γ2为爆震波后的气体绝热指数。

根据以下等式，确认脉冲爆震波后的静温t2和脉冲爆震波后的静压p2：

其中，r(λ1r)为关于λ1r的气动函数；r(λ2r)为关于λ2r的气动函数。

脉冲爆震管的爆震波后的总温和脉冲爆震管的爆震波后的总压由以下等式获得：

其中，为脉冲爆震管的爆震波后的总温；λ2为爆震波后的速度因数，τ(λ2)为关于爆震波后的速度因数λ2的气动函数；cp为气体的定压比热；。

作为可选的实施方式，脉冲爆震管的进口封闭端的性能参数，包括脉冲爆震管的进口封闭端的总焓和脉冲爆震管的进口封闭端的总压；根据黎曼不变关系式，确定脉冲爆震管的进口封闭端的总焓，以及根据等熵关系，确定封闭端总压。

具体的，脉冲爆震管的进口封闭端的总焓由以下等式获得：

脉冲爆震管的进口封闭端的总压由以下等式获得：

其中，为脉冲爆震管的进口封闭端的总温；ma2为爆震波后的马赫数。

作为本实施例的优选实施方式，通过假设在脉冲爆震过程中的某个时刻存在一个中间均匀状态，中间均匀状态为：脉冲爆震管内总焓保持为进口封闭端的总焓，且脉冲爆震管内总压保持为进口封闭端的总压的状态。

图2示出了脉冲爆震管进口关闭状态的压力沿程分布示意图，其中，1表示脉冲爆震波前的压力，2表示脉冲爆震波后的压力，3表示脉冲爆震管的进口封闭端的压力。

参照图2，第一阶段包括：由脉冲爆震管的爆震波锋面恰好抵达出口状态至中间均匀状态的阶段。

在第一阶段中，脉冲爆震管进口关闭，出口参数由爆震波后状态逐渐降低至均匀状态，脉冲爆震波后存在均匀区和膨胀区，均匀区长度lu和膨胀区长度le满足：

假设爆震管内参数沿流向呈两段线性变化，按照空间长度加权平均确定第一阶段脉冲爆震管出口平均总焓和平均总压分别为：

其中，为爆震波后的总焓；lu为爆震波后的均匀区长度，le为爆震波后的膨胀区的长度。

图3示出了脉冲爆震管进口开启状态的压力沿程分布示意图，其中，1表示脉冲爆震波前的压力，3表示脉冲爆震管的进口封闭端的压力，4表示低压状态的压力。

参照图3，第二阶段包括：由中间均匀状态至隔离空气恰好抵达出口状态的阶段。在第二阶段中，脉冲爆震管得进口开启，出口参数由均匀状态逐渐变化至进口状态，由于温度变化缓慢，且降幅有限，因此在第二阶段中，脉冲爆震管的出口平均总焓保持不变。

另外，由于压力变化迅速，在第二阶段中，脉冲爆震管的出口总压先降低至低压状态，然后升高至进口状态，因此，脉冲爆震管的出口平均总压应该介于脉冲爆震波前的总压和低压状态的总压，但是考虑到低压状态的总压仅仅略低于脉冲爆震波前的总压，并且脉冲爆震波前状态的持续时间更长，因此可假设，脉冲爆震管的出口平均总压等于脉冲爆震波前的总压。

因此，作为优选的实施方式，基于进口封闭端的性能参数和脉冲爆震管的爆震波前的性能参数，获取第二阶段脉冲爆震管的出口性能参数；可根据以下等式获取第二阶段脉冲爆震管的出口平均总焓和出口平均总压

其中，为脉冲爆震波前的总压。

作为本实施例可选的实施方式，将第一阶段脉冲爆震管的出口性能参数和第二阶段脉冲爆震管的出口性能参数，根据脉冲爆震管的气体的质量进行加权平均，获得排气阶段的出口性能参数，包括：

根据以下等式获得排气阶段的出口总焓和总压

其中，fbd1为第一阶段中，脉冲爆震管内气体的质量；fbd2为第二阶段中，脉冲爆震管内气体的质量。

作为可选的实施方式，将扫气阶段的出口性能参数和排气阶段的出口性能参数，根据脉冲爆震管的隔离气体的质量进行加权平均，获得全循环过程脉冲爆震管出口的性能参数，包括：

根据以下等式获得全循环过程脉冲爆震管出口的总焓*和总压p*；

其中，fp为隔离气体的质量；为脉冲爆震波前的总焓。

参照图4，分别通过稳态极限方法、封闭端方法、特性图法和本发明提供方法，对脉冲爆震管的性能进行计算和比较，其中，爆震管进口温度为288k，进口压力为1atm，燃料的低热值为50016kj/kg，燃料的质量为0.0174，燃烧效率为97％；

结果显示，对于相同的出口与进口总焓比，稳态极限方法获得的出口与进口总压比明显高于特性图方法，平均偏差超过200％；封闭端方法的结果有所改善，但仍然偏高，平均偏差超过60％；

本发明提供方法的结果与特性图方法非常吻合，平均偏差不足3％，计算精度显著提高；同时，本发明提供方法实施过程中所有参数完全由解析公式直接计算得到，计算工作量小；本发明提供的一种脉冲爆震管性能的理论计算方法实现了精确性与便捷性的统一。

实施例二

参照图5，本发明的实施例提供一种脉冲爆震管性能计算装置，包括：

排气阶段分阶段模块，用于将脉冲爆震管的排气阶段分为：脉冲爆震管的进口关闭的第一阶段和脉冲爆震管的进口开启的第二阶段；

第一阶段脉冲爆震管的出口性能参数获取模块，用于将脉冲爆震管的进口封闭端的性能参数和脉冲爆震管的爆震波后的性能参数，根据爆震波后的均匀区长度和膨胀区长度加权平均计算，获得第一阶段脉冲爆震管的出口性能参数；

第二阶段脉冲爆震管的出口性能参数获取模块，用于基于进口封闭端的性能参数和脉冲爆震管的爆震波前的性能参数，获取第二阶段脉冲爆震管的出口性能参数；

排气阶段的出口性能参数获取模块，用于将第一阶段脉冲爆震管的出口性能参数和第二阶段脉冲爆震管的出口性能参数，根据脉冲爆震管的气体的质量进行加权平均，获得排气阶段的出口性能参数；

全循环过程脉冲爆震管出口的性能参数获取模块，用于将扫气阶段的出口性能参数和排气阶段的出口性能参数，根据脉冲爆震管的隔离气体的质量进行加权平均，获得全循环过程脉冲爆震管出口的性能参数。

本实施例的装置中的各模块的原理和功能与实施例一中的一致，本实施例不再重复描述。

应理解的是，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。上述实施例方法的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。上述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读存储介质中。该存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本发明的流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分。并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能。

本发明在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。