一种用于航空航天推进剂的裂解反应分析方法及装置与流程

本发明涉及流体分析技术领域，尤其是涉及一种用于航空航天推进剂的裂解反应分析方法及装置。

背景技术：

在航空航天器正常工作过程中，航空航天推进剂会经历加热的过程，这使得推进剂的温度由常温升高至较高的温度，当温度超过其发生裂解反应的温度时，推进剂会发生裂解反应。裂解反应是一种复杂的仅发生在高温的反应，使得大分子组分裂解成复杂的小分子组分，同时由于裂解反应吸热会发生内能的减少。伴随着裂解反应的进行，推进剂的流动换热也会受到重要的影响。

然而，现有软件可对不同物质的裂解过程进行计算，但其是将推进剂发生裂解反应后产生的各个组分的物性分别进行计算，然后将各个组分的物性进行加权得到整个混合物(推进剂裂解反应后形成的)，这种方法在物理上解释不清，存在显著的误差，不能精确描述混合物物性；同时商用软件的封闭性，无法获知其计算原理，不能针对个别工况和个性需求进行定制和改进。

在实现本发明实施例的过程中，发明人发现现有的针对推进剂的裂解过程进行分析的方法，由于是针对每一组分单独分析后进行加权，误差较大，无法精确描述推进剂物性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是如何解决现有的针对推进剂的裂解过程进行分析的方法，由于是针对每一组分单独分析后进行加权，误差较大，无法精确描述推进剂物性的问题。

针对以上技术问题，本发明的实施例提供了一种用于航空航天推进剂的裂解反应分析方法，包括：

将在预设的管道内传输的推进剂进行网格划分，并获取在所述管道中传输的推进剂的初始条件和边界条件；

根据所述初始条件和所述边界条件，按照预设规则计算所述管道中的推进剂的物理场分布，输出所述推进剂的物理场分布；

其中，所述初始条件包括所述推进剂在所述管道中传输的进口流量、进口温度、出口温度、出口压力；所述边界条件包括所述管道的管道壁的温度分布；所述物理场分布包括所述推进剂的温度场分布、压力场分布、速度场分布、以及所述推进剂裂解后的各个组分的组分分布。

可选地，所述根据所述初始条件和所述边界条件，按照预设规则计算所述管道中的推进剂的物理场分布，输出所述推进剂的物理场分布，包括：

根据所述初始条件和所述边界条件确定所述推进剂的初始物理场分布，将所述初始物理场分布作为当前的物理场分布，并设置当前的求解次数为零；

循环执行物理场求解操作，直到得到的更新后的物理场分布与当前的物理场分布在每一对应位置处的残差均小于预设阈值，或者更新后的求解次数大于预设次数后，输出更新后的物理场分布；

所述物理场求解操作包括：

根据当前的物理场分布，求解与所述推进剂相关的裂解方程、质量方程、动量方程、能量方程、湍流方程和压力方程，得到更新后的物理场分布；

计算更新后的物理场分布与当前的物理场分布在每一对应位置处的残差，并将当前的求解次数加一，得到更新后的求解次数。

可选地，所述循环执行物理场求解操作，直到得到的更新后的物理场分布与当前的物理场分布在每一对应位置处的残差均小于预设阈值，或者更新后的求解次数大于预设次数后，输出更新后的物理场分布，还包括：

根据更新后的物理场分布中对应于所述推进剂每一网格内的物理量，输出采用不同的颜色表征物理量大小的结果图。

第二方面，本发明的实施例还提供了一种用于航空航天推进剂的裂解反应分析装置，包括：

获取模块，用于将在预设的管道内传输的推进剂进行网格划分，并获取在所述管道中传输的推进剂的初始条件和边界条件；

计算模块，用于根据所述初始条件和所述边界条件，按照预设规则计算所述管道中的推进剂的物理场分布，输出所述推进剂的物理场分布；

其中，所述初始条件包括所述推进剂在所述管道中传输的进口流量、进口温度、出口温度、出口压力；所述边界条件包括所述管道的管道壁的温度分布；所述物理场分布包括所述推进剂的温度场分布、压力场分布、速度场分布、以及所述推进剂裂解后的各个组分的组分分布。

可选地，所述计算模块还用于根据所述初始条件和所述边界条件确定所述推进剂的初始物理场分布，将所述初始物理场分布作为当前的物理场分布，并设置当前的求解次数为零；

循环执行物理场求解操作，直到得到的更新后的物理场分布与当前的物理场分布在每一对应位置处的残差均小于预设阈值，或者更新后的求解次数大于预设次数后，输出更新后的物理场分布；

所述物理场求解操作包括：

根据当前的物理场分布，求解与所述推进剂相关的裂解方程、质量方程、动量方程、能量方程、湍流方程和压力方程，得到更新后的物理场分布；

计算更新后的物理场分布与当前的物理场分布在每一对应位置处的残差，并将当前的求解次数加一，得到更新后的求解次数。

可选地，所述计算模块还用于根据更新后的物理场分布中对应于所述推进剂每一网格内的物理量，输出采用不同的颜色表征物理量大小的结果图。

第三方面，本发明的实施例还提供了一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行以上所述的方法。

第四方面，本发明的实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行以上所述的方法。

本发明的实施例提供了用于航空航天推进剂的裂解反应分析方法和装置，该方法将推进剂发生了裂解反应后形成的混合物作为分析对象，直接采集与该混合物相关的初始条件和边界条件，对该混合物整体的物理性质进行分析，相比于针对混合物中的每一组分单独分析后进行加权得到整个推进剂的物理性质的分析方法，本实施例将推进剂作为整体进行分析，因而能得到精确描述推进剂物理性质的结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例提供的用于航空航天推进剂的裂解反应分析方法的流程示意图；

图2是本发明另一个实施例提供的用于航空航天推进剂的裂解反应分析方法的流程示意图；

图3是本发明另一个实施例提供的输出的推进剂的温度场分布的示意图；

图4是本发明另一个实施例提供的输出的推进剂的密度场分布的示意图；

图5是本发明另一个实施例提供的输出的推进剂的导热系数分布的示意图；

图6是本发明另一个实施例提供的用于航空航天推进剂的裂解反应分析装置的结构框图；

图7是本发明一个实施例提供的电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本实施例提供的用于航空航天推进剂的裂解反应分析方法的流程示意图。参见图1，该方法包括：

101：将在预设的管道内传输的推进剂进行网格划分，并获取在所述管道中传输的推进剂的初始条件和边界条件；

102：根据所述初始条件和所述边界条件，按照预设规则计算所述管道中的推进剂的物理场分布，输出所述推进剂的物理场分布；

其中，所述初始条件包括所述推进剂在所述管道中传输的进口流量、进口温度、出口温度、出口压力；所述边界条件包括所述管道的管道壁的温度分布；所述物理场分布包括所述推进剂的温度场分布、压力场分布、速度场分布、以及所述推进剂裂解后的各个组分的组分分布。

需要说明的是，传输推进剂的管道的具体形状可以根据实际需要进行设计，本实施例对管道的形状不做具体限制。由于管道的管道壁的温度随着距离管道的进口的距离而变化，因此可以根据管道壁的每一点和管道的进口的距离计算管道壁上每一点的温度。推进剂的每一物理量均是对初始条件和边界条件进行了全面的考虑而来，因而计算得到的推进剂的各个物理量能够更加精准的描述推进剂的物理性质。

本实施例提供的方法主要计算推进剂的物理场分布包括所述推进剂的温度场分布、压力场分布、速度场分布、以及所述推进剂裂解后的各个组分的组分分布，可理解的是，在上述结算结果的基础上，也可以计算出该推进器的其它物理性能，例如，推进剂各个网格对应的导热系数、各个网格对应的密度，本实施例不再一一列举。

本实施例提供了用于航空航天推进剂的裂解反应分析方法，该方法将推进剂发生了裂解反应后形成的混合物作为分析对象，直接采集与该混合物相关的初始条件和边界条件，对该混合物整体的物理性质进行分析，相比于针对混合物中的每一组分单独分析后进行加权得到整个推进剂的物理性质的分析方法，本实施例将推进剂作为整体进行分析，因而能得到精确描述推进剂物理性质的结果。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述根据所述初始条件和所述边界条件，按照预设规则计算所述管道中的推进剂的物理场分布，输出所述推进剂的物理场分布，包括：

根据所述初始条件和所述边界条件确定所述推进剂的初始物理场分布，将所述初始物理场分布作为当前的物理场分布，并设置当前的求解次数为零；

循环执行物理场求解操作，直到得到的更新后的物理场分布与当前的物理场分布在每一对应位置处的残差均小于预设阈值，或者更新后的求解次数大于预设次数后，输出更新后的物理场分布；

所述物理场求解操作包括：

根据当前的物理场分布，求解与所述推进剂相关的裂解方程、质量方程、动量方程、能量方程、湍流方程和压力方程，得到更新后的物理场分布；

计算更新后的物理场分布与当前的物理场分布在每一对应位置处的残差，并将当前的求解次数加一，得到更新后的求解次数。

在根据初始条件和边界条件确定初始物理场时，例如，可以将推进剂的每一网格内的温度均设定为进口温度。根据这些初始条件和边界条件确定的推进剂的每一网格的物理参数，对每一网格进行积分求解，得到每一网格对应的物理量，并更新之前的计算结果。若更新后的物理场和当前的物理场在每一点的残差均满足要求或者求解次数超过了预设次数，则将更新后的物理场分布作为最终的推进剂物理场分布，并将该结果输出。可理解的是，只要存在残差大于或等于预设阈值的网格且求解次数小于或等于预设次数，则需要根据当前求解得到的物理场，重新求解推进剂的物理场分布，满足物理场求解操作终止的条件。

本实施例提供的方法对每一次求解的结果进行判断，若不满足更新后的物理场分布与当前的物理场分布在每一对应位置处的残差均小于预设阈值或者解次数大于预设次数，则需要根据当前的物理场分布，重新对推进剂的每一网格进行计算，该方法对推进剂的每一点是否满足要求均进行判断，同时采用预设次数对求解次数进行限制，即保证了结果的准确性，由避免了求解次数过多带来的求解时间较长的问题。

进一步地，在上述各个实施例的基础上，所述循环执行物理场求解操作，直到得到的更新后的物理场分布与当前的物理场分布在每一对应位置处的残差均小于预设阈值，或者更新后的求解次数大于预设次数后，输出更新后的物理场分布，还包括：

根据更新后的物理场分布中对应于所述推进剂每一网格内的物理量，输出采用不同的颜色表征物理量大小的结果图。

为了直观的表达最终计算得到的推进剂的物理场分布，可以采用不同颜色表征物理量的大小，例如，如图3-图5所示，分别采用不同的颜色表征了该推进剂的温度场分布、密度场分布和导热系数场分布。

作为一种更为具体的实施例，如图2所示，本实施例提供的方法包括：

201：将在预设的管道内传输的推进剂进行网格划分，并获取在所述管道中传输的推进剂的初始条件和边界条件；

202：根据所述初始条件和所述边界条件确定所述推进剂的初始物理场分布，将所述初始物理场分布作为当前的物理场分布，并设置当前的求解次数为零；

203：根据当前的物理场分布，求解与所述推进剂相关的裂解方程、质量方程、动量方程、能量方程、湍流方程和压力方程，得到更新后的物理场分布；

204：计算更新后的物理场分布与当前的物理场分布在每一对应位置处的残差，并将当前的求解次数加一，得到更新后的求解次数；

205：判断更新后的物理场分布与当前的物理场分布在每一对应位置处的残差是否均小于预设阈值，或者更新后的求解次数是否大于预设次数；若判断是，则执行步骤206，否则，返回步骤203。

206：根据更新后的物理场分布中对应于所述推进剂每一网格内的物理量，输出采用不同的颜色表征物理量大小的结果图。

在输出推进剂的物理场分布时，可以针对不同的物理量，按照如下的方法示出，例如，图3示出了推进剂的温度场分布，如图3右下角的框中所示，不同的颜色代表了不同的温度值；图4示出了推进剂的密度场分布，如图4右下角的框中所示，不同的颜色代表了不同的密度；图5示出了推进剂的导热系数分布，如图5右下角的框中所示，不同的颜色代表了不同的导热系数。其中，这三幅图中的x、y和z代表了空间的三个方向，其中，推进剂沿着x方向从管道的入口流入管道的出口。

例如，计算的物理模型为一个直径为0.5mm，管长为37.5mm的细长圆管，正癸烷从中流动并发生裂解反应。网格结点数为18271。管道出口的压力分别为3.45mpa。管道的进口流量为0.3ml/min，进口温度为473k，壁面温度分布如下所示：最大壁面温度823k，如图3至图5所示，

该管道的管道壁的温度分布为：

0＜x＜0.13时，tw＝410+3481x-27537x²+70527x³+273.15；

0.13≤x≤0.375，tw＝559-51x+273.15；

其中，tw为管道壁上的温度，x为管道上的点与管道入口之间的距离。

在计算过程中，操作如下：

载入网格文件，把tape17文件复制到hitrans-pyrolysis.exe所在文件夹内；

载入物性文件，把tp-ro文件和tro-p文件复制到hitrans-pyrolysis.exe所在文件夹内；

载入裂解信息，在itape5文件中，把nrk数字改为1，表明计算裂解反应；同时在cracking.for子程序进行正癸烷裂解反应模型修改：把裂解吸热反应的指前因子赋值给a_cracking，把裂解反应的活化能赋值给e_cracking，把裂解反应的反应热赋值给heat_cracking，把裂解的产物的比例分布赋值给x_cracking(19)数组；

载入其他必要信息，在itape5文件中，把固体域的密度、定压比热容和导热系数分别赋值给ro_s、cp_s和lamd_s，把初始压力、温度分别赋值给presi和tempi，把进口速度(由给定的进口流量计算)赋值给velin，把出口压力赋值给pamb。壁面温度和进口温度分别输入到itape5文件中；

求解，双击“hitrans-pyrolysis.exe”，即开始求解。在求解过程中，窗口中显示迭代步数ncyc，求解时间t，时间步长dt，最大时间tmax，平均压力avp，平均温度avt，以及各个子方程在单个时间步内迭代的次数，各个方程求解的残差等，但以上信息仅隔100个时间步显示一次，在非百整数倍的时间步时，仅显示时间步数。

求解完成，当屏幕上显示的迭代步数到达所要求的步数时，迭代计算完成，那么可从输出结果文件liutisudu、liutiwendu、wendu、sudu、temp等文件中获取所需要的物理量，包括速度、温度及质量分数等。

显示结果，在后处理软件tecplot中打开liutisudu、liutiwendu、wendu、sudu、temp等文件可获得。

第二方面，如图6所示，本发明的实施例还提供了一种用于航空航天推进剂的裂解反应分析装置600，包括获取模块601和计算模块602，其中，

获取模块601，用于将在预设的管道内传输的推进剂进行网格划分，并获取在所述管道中传输的推进剂的初始条件和边界条件；

计算模块602，用于根据所述初始条件和所述边界条件，按照预设规则计算所述管道中的推进剂的物理场分布，输出所述推进剂的物理场分布；

其中，所述初始条件包括所述推进剂在所述管道中传输的进口流量、进口温度、出口温度、出口压力；所述边界条件包括所述管道的管道壁的温度分布；所述物理场分布包括所述推进剂的温度场分布、压力场分布、速度场分布、以及所述推进剂裂解后的各个组分的组分分布。

本实施例提供的用于航空航天推进剂的裂解反应分析装置600适用于上述实施例中提供的用于航空航天推进剂的裂解反应分析方法，在此不再赘述。

本实施例提供了用于航空航天推进剂的裂解反应分析装置，该装置将推进剂发生了裂解反应后形成的混合物作为分析对象，直接采集与该混合物相关的初始条件和边界条件，对该混合物整体的物理性质进行分析，相比于针对混合物中的每一组分单独分析后进行加权得到整个推进剂的物理性质的分析方法，本实施例将推进剂作为整体进行分析，因而能得到精确描述推进剂物理性质的结果。

进一步地，在上述实施例的基础上，，所述计算模块还用于根据所述初始条件和所述边界条件确定所述推进剂的初始物理场分布，将所述初始物理场分布作为当前的物理场分布，并设置当前的求解次数为零；

循环执行物理场求解操作，直到得到的更新后的物理场分布与当前的物理场分布在每一对应位置处的残差均小于预设阈值，或者更新后的求解次数大于预设次数后，输出更新后的物理场分布；

所述物理场求解操作包括：

根据当前的物理场分布，求解与所述推进剂相关的裂解方程、质量方程、动量方程、能量方程、湍流方程和压力方程，得到更新后的物理场分布；

计算更新后的物理场分布与当前的物理场分布在每一对应位置处的残差，并将当前的求解次数加一，得到更新后的求解次数。

进一步地，在上述各个实施例的基础上，所述计算模块还用于根据更新后的物理场分布中对应于所述推进剂每一网格内的物理量，输出采用不同的颜色表征物理量大小的结果图。

图7是示出本发明的实施例提供的电子设备的结构框图。

参照图7，所述电子设备，包括：处理器(processor)701、存储器(memory)702和总线703；

其中，

所述处理器701、存储器702通过所述总线703完成相互间的通信；

所述处理器701用于调用所述存储器702中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：将在预设的管道内传输的推进剂进行网格划分，并获取在所述管道中传输的推进剂的初始条件和边界条件；根据所述初始条件和所述边界条件，按照预设规则计算所述管道中的推进剂的物理场分布，输出所述推进剂的物理场分布；其中，所述初始条件包括所述推进剂在所述管道中传输的进口流量、进口温度、出口温度、出口压力；所述边界条件包括所述管道的管道壁的温度分布；所述物理场分布包括所述推进剂的温度场分布、压力场分布、速度场分布、以及所述推进剂裂解后的各个组分的组分分布。

本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：将在预设的管道内传输的推进剂进行网格划分，并获取在所述管道中传输的推进剂的初始条件和边界条件；根据所述初始条件和所述边界条件，按照预设规则计算所述管道中的推进剂的物理场分布，输出所述推进剂的物理场分布；其中，所述初始条件包括所述推进剂在所述管道中传输的进口流量、进口温度、出口温度、出口压力；所述边界条件包括所述管道的管道壁的温度分布；所述物理场分布包括所述推进剂的温度场分布、压力场分布、速度场分布、以及所述推进剂裂解后的各个组分的组分分布。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。