基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法和装置与流程

本发明涉及航空航天技术领域，特别是涉及一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法和装置。

背景技术：

吸热型碳氢燃料的温度升高会引发超燃冲压发动机再生冷却通道壁面结焦问题。壁面结焦会改变流通截面形状，大大增加壁面和吸热型碳氢燃料之间的换热热阻，对再生冷却效果产生不利影响。此外，由于再生冷却系统在超临界压力下运行，通道壁面的压力会使壁面发生变形；并且由于不同空间位置处的温度差极大，导致结构热应力和变形。为完整并准确的模拟再生冷却过程，需要对流通区域变形问题的模拟提出解决方法。然而，对这一问题的求解方法尚未出现公开报道。为此，我们提出了如何在数值模拟中体现流通截面形状随结焦量及热变形时发生变化，以及如何处理计算域变形后所产生的附带问题，即确定壁面导热系数的变化和提高网格质量。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统技术存在的问题，提供一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法和装置，能够解决由于壁面结焦改变流通截面形状，带来的增加壁面和吸热型碳氢燃料之间的换热热阻，对再生冷却效果产生不利影响的问题，该方法基于不同空间位置处的温度差，结构热应力和变形的条件下，能完整并准确的模拟再生冷却过程。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法，所述方法包括：根据边界移动的情况计算得到碳氢燃料的流通区域的网格变形情况；模拟计算域边界发生网格变形情况时壁面导热的不同情况完成评测。

在其中一个实施例中，所述根据边界移动的情况计算得到碳氢燃料的流通区域的网格变形情况包括：采用弹簧法求解所述碳氢燃料的所述流通区域的所述网格变形。

在其中一个实施例中，所述弹簧法为：针对顶点弹簧，节点i，j间的弹簧张力为:

式中kij为连接节点i，j的弹簧的倔强系数，分别为节点i，j的位置矢量，对任意的一个节点i列它的合力方程为:

式中n为计算区域内所有与节点i相连的非结构网格的节点总数；

对计算区域内所有的m个非结构网格的节点列上述合力方程得到初始状态下的该线性系统的矩阵表达式:

式中n为包括边界点的网格节点数，

当边界运动或变形后，通过改变边界的位置矢量和适当的整理上式就得到一形如上式的m阶的线性方程组，其相应的分量迭代格式为：

在其中一个实施例中，还包括：选取网格边的边长为参照变量确定弹簧的倔强系数，公式为：

在其中一个实施例中，还包括：通过二维例子和三维例子展示所述碳氢燃料的流通区域的所述网格变形情况。

在其中一个实施例中，所述模拟计算域边界发生网格变形情况时壁面导热的不同情况完成评测包括：通过导热系数折算法根据结焦量的计算对结焦域网格的导热系数进行实时调整。

在其中一个实施例中，所述通过导热系数折算法根据结焦量的计算对结焦域网格的导热系数进行实时调整包括：设定初始结焦网格厚度为δys，基于此网格基础上，产生结焦，其中，结焦附着在结焦域网格上，形成了新的流固边界；所述新的流固边界的位置，通过对结焦模型的计算得出。

在其中一个实施例中，所述通过对结焦模型的计算得出所述新的流固边界的位置包括：计算得出壁面结焦量，并根据结焦产物的密度，计算出壁面各处的结焦层厚度；其中，预先设置壁面结焦厚度为δyc，实际的流固边界将上移δyc，结焦域网格厚度将更新为δyc+s。

在其中一个实施例中，还包括：结焦域的网格导热系数实时被调整；

其中，预先设置管壁导热系数为λs，焦的导热系数为λc，导热系数λ通过热阻等效的方式进行计算，公式为：

计算得出：

在其中一个实施例中，还包括：通过网格自适应调整变形后的网格质量。

在其中一个实施例中，所述通过网格自适应调整变形后的网格质量包括：将壁面网格的厚度变化作为网格自适应的判断条件。

在其中一个实施例中，所述将壁面网格的厚度变化作为网格自适应的判断条件包括：定义已知单元面a和b处的网格厚度分别为da和db，并计算a-b处的结焦厚度梯度；

其中，公式为：

当计算得到的厚度梯度大于指定数值时，对相应的网格单元进行对分。

第二方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质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上述第一方面的基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法。

第三方面，本发明实施例提供了一种包含指令的计算机程序产品，当该计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行上述第一方面所述的方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测装置，所述装置包括：计算模块，用于根据边界移动的情况计算得到碳氢燃料的流通区域的网格变形情况；评测模块，用于模拟计算域边界发生网格变形情况时壁面导热的不同情况完成评测。

本发明提供的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法和装置，根据边界移动的情况计算得到碳氢燃料的流通区域的网格变形情况；模拟计算域边界发生网格变形情况时壁面导热的不同情况完成评测。能够解决由于壁面结焦改变流通截面形状，带来的增加壁面和吸热型碳氢燃料之间的换热热阻，对再生冷却效果产生不利影响的问题，该方法基于不同空间位置处的温度差，结构热应力和变形的条件下，能完整并准确的模拟再生冷却过程。

附图说明

图1为现有技术中结焦引起网格变形示意图；

图2为本发明一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法的流程示意图；

图3为本发明一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中弹簧系统示意图；

图4为本发明一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中二维网格变形示意图；

图5(a)-(b)为本发明一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中三维网格变形示意图；

图6为本发明一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中导热系数折算示意图；

图7为本发明一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中结焦层厚度梯度计算示意图；

图8(a)-(c)为本发明一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中单元对分主要过程示意图；

图9(a)-(b)为本发明一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中的基于网格厚度变化的网格自适应过程示意图；以及

图10为本发明一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、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发明基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法和装置进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1所示，可知现有技术中结焦引起网格变形的状态图。可以看出，未结焦状态中流体域、结焦域以及固体域为均匀分布，根据结焦量给出流固边界节点位移，其它内部点自动随之移动，结焦状态后的流体域、结焦域以及固体域都发生了变化，且每个域所占的面积不均匀。

如图2所示，为一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法的流程示意图。具体包括以下步骤：

步骤102，根据边界移动的情况计算得到碳氢燃料的流通区域的网格变形情况。本实施例中，根据边界移动的情况计算得到碳氢燃料的流通区域的网格变形情况包括：采用弹簧法求解碳氢燃料的流通区域的网格变形。

其中，所述弹簧法为：针对顶点弹簧，节点i，j间的弹簧张力为:

式中kij为连接节点i，j的弹簧的倔强系数，分别为节点i，j的位置矢量，对任意的一个节点i列它的合力方程为:

式中n为计算区域内所有与节点i相连的非结构网格的节点总数；

对计算区域内所有的m个非结构网格的节点列上述合力方程得到初始状态下的该线性系统的矩阵表达式:

式中n为包括边界点的网格节点数，

当边界运动或变形后，通过改变边界的位置矢量和适当的整理上式就得到一形如上式的m阶的线性方程组，其相应的分量迭代格式为：

步骤104，模拟计算域边界发生网格变形情况时壁面导热的不同情况完成评测。本实施例中，模拟计算域边界发生网格变形情况时壁面导热的不同情况完成评测包括：通过导热系数折算法根据结焦量的计算对结焦域网格的导热系数进行实时调整。具体的，通过导热系数折算法根据结焦量的计算对结焦域网格的导热系数进行实时调整包括：设定初始结焦网格厚度为δys，基于此网格基础上，产生结焦，其中，结焦附着在结焦域网格上，形成了新的流固边界；新的流固边界的位置，通过对结焦模型的计算得出。

可以理解的是，通过对结焦模型的计算得出所述新的流固边界的位置包括：计算得出壁面结焦量，并根据结焦产物的密度，计算出壁面各处的结焦层厚度；其中，预先设置壁面结焦厚度为δyc，实际的流固边界将上移δyc，结焦域网格厚度将更新为δyc+s。

在一个实施例中，本公开提出的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法，还包括：选取网格边的边长为参照变量确定弹簧的倔强系数，公式为：

在一个实施例中，本公开提出的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法，还包括：通过二维例子和三维例子展示所述碳氢燃料的流通区域的所述网格变形情况。

在一个实施例中，本公开提出的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法，还包括：结焦域的网格导热系数实时被调整；

其中，预先设置管壁导热系数为λs，焦的导热系数为λc，导热系数λ通过热阻等效的方式进行计算，公式为：

计算得出：

在一个实施例中，本公开提出的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法，还包括：通过网格自适应调整变形后的网格质量。具体的，通过网格自适应调整变形后的网格质量包括：将壁面网格的厚度变化作为网格自适应的判断条件。

进一步地，将壁面网格的厚度变化作为网格自适应的判断条件包括：

定义已知单元面a和b处的网格厚度分别为da和db，并计算a-b处的结焦厚度梯度；

其中，公式为：

当计算得到的厚度梯度大于指定数值时，对相应的网格单元进行对分。

本发明提供的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法，根据边界移动的情况计算得到碳氢燃料的流通区域的网格变形情况；模拟计算域边界发生网格变形情况时壁面导热的不同情况完成评测。能够解决由于壁面结焦改变流通截面形状，带来的增加壁面和吸热型碳氢燃料之间的换热热阻，对再生冷却效果产生不利影响的问题，该方法基于不同空间位置处的温度差，结构热应力和变形的条件下，能完整并准确的模拟再生冷却过程。

为了更清楚的理解与应用本发明提出的基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法，进行以下示例。需要说明的是，本发明的保护范围不局限以下示例。

结合图3至图5(a)-(b)。其中，图3所示，为一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中弹簧系统示意图；图4所示，为一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中二维网格变形示意图；图5(a)为一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中三维网格变形初始网络示意图；图5(b)为一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中三维网格变形初始网络示意图。

具体的，弹簧近似法简称弹簧法，其本质在于通过赋予网格边以弹簧刚度，将网格系统处理成一个弹簧系统，从而通过求解弹簧平衡矩阵来获得边界移动后内部节点位移。

对于顶点弹簧，节点i，j间的弹簧张力可以为:

式中kij为连接节点i，j的弹簧的倔强系数；分别为节点i，j的位置矢量。对任意的一个节点i列它的合力方程为:

式中n，为计算区域内所有与节点i相连的非结构网格的节点总数。顶点弹簧方法令计算区域内所用网格节点的受力都为边界没有发生运动和变形时所受的合力。对计算区域内所有的m个非结构网格的节点列上述合力方程得到初始状态下的该线性系统的矩阵表达式:

式中n为包括边界点的网格节点数。当边界运动或变形后，通过改变边界的位置矢量和适当的整理上式就得到一形如上式的m阶的线性方程组，其相应的分量迭代格式为：

经典线性弹簧方法大都选取网格边的边长为参照变量来确定弹簧的倔强系数。根据大量的数值经验，一般按下式计算，可以很好的保证网格的疏密特征。

如图6所示，为一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中导热系数折算示意图。

具体的，根据前述的原理可根据边界移动的情况计算得到流体域网格变形情况。然而，计算域在发生变形的同时往往还伴随其物理性质的变化。壁面结焦产生后，网格变化形式如图6所示。

设初始结焦网格厚度为δys，在此网格基础上，产生了结焦，结焦附着在结焦域网格上，形成了新的流固边界。新流固边界的位置，需要通过对结焦模型的计算得出。首先计算得出壁面结焦量，其次，根据结焦产物的密度，即可计算出壁面各处的结焦层厚度。设其结焦厚度为δyc，则实际的流固边界将上移δyc，此时，结焦域网格厚度将更新为δyc+s。边界的移动及对流体域内部网格的影响将在下节中通过网格变形实现。与此同时，结焦域的网格导热系数会发生相应的变化。设管壁导热系数为λs，焦的导热系数为λc。整个结焦域是同一种物质，因此具有唯一的导热系数，其导热系数λ通过热阻等效的方式进行计算，其计算公式为：

计算得出：

通过导热系数折算法根据结焦量的计算对结焦域网格的导热系数进行实时调整，就可以模拟计算域边界发生变形时壁面导热的不同情况，实现更为精确的模拟过程。

更进一步地理解本公开提出的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法，结合图7至图9。

其中，图7为一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中结焦层厚度梯度计算示意图；图8(a)为一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中单元对分主要过程中自适应前示意图；图8(b)为一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中单元对分主要过程中增加网格线中点示意图；图8(c)为一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中单元对分主要过程中建立或更新节点拓扑示意图；图9(a)为一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中的基于网格厚度变化的网格自适应过程中初始时刻网络示意图；图9(b)为一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测方法中的基于网格厚度变化的网格自适应过程中网格发生变形后进行网格自适应示意图。

具体的，由于再生冷却通道内的流动具有比较强烈的一维流动特征，因此人为划分的通道流体域网格的特点是在流向上采用比较粗大的网格尺度。这种做法在出现结焦量分布沿程不均匀甚至出现峰值的现象时，原始网格将不足以分辨峰值以至于影响计算精度。为解决这一矛盾，需要根据边界的变形情况对网格进行加密，提高网格质量，并最终提高计算精度。

对于壁面结焦所导致的网格变形问题，需将壁面结焦量的沿程分布变化情况作为进行网格自适应所基于的标准，而由于边界节点的移动和网格的变形反映了壁面结焦量的分布情况，因此可将壁面网格的厚度变化作为网格自适应的判据。如下图所示，已知单元面a和b处的网格厚度分别为da和db，δr是a、b两个单元面中心点直间的距离，计算a-b处的结焦厚度梯度：

基于同一发明构思，还提供了一种基于应用程序的检索与下载的装置。由于此装置解决问题的原理与前述一种基于应用程序的检索与下载的方法相似，因此，该装置的实施可以按照前述方法的具体步骤时限，重复之处不再赘述。

如图10所示，为一个实施例中的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测装置的结构示意图。该基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测装置10包括：计算模块200和评测模块400。

其中，计算模块200用于根据边界移动的情况计算得到碳氢燃料的流通区域的网格变形情况；评测模块400用于模拟计算域边界发生网格变形情况时壁面导热的不同情况完成评测。

本发明提供的一种基于超临界碳氢燃料的流通区域的评测装置，计算模块200根据边界移动的情况计算得到碳氢燃料的流通区域的网格变形情况；再通过评测模块400模拟计算域边界发生网格变形情况时壁面导热的不同情况完成评测。能够解决由于壁面结焦改变流通截面形状，带来的增加壁面和吸热型碳氢燃料之间的换热热阻，对再生冷却效果产生不利影响的问题，该装置基于不同空间位置处的温度差，结构热应力和变形的条件下，能完整并准确的模拟再生冷却过程。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被图2至图9中处理器执行。

本发明实施例还提供了一种包含指令的计算机程序产品。当该计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行上述图2至9的方法。

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，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

以上所述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。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。