预测单喷管运载火箭射流噪声的数值方法与流程

本发明属于流体力学与声学交叉学科领域，具体涉及一种预测单喷管运载火箭射流噪声的数值方法。

背景技术：

航天运载火箭一般由动力装置、箭体结构和控制系统等部件组成。结构一般由头部、头部整流罩、氧化剂贮箱和燃料(燃烧剂)贮箱、仪器舱、级间段、发动机推力结构、尾舱等部分组成，需要分离的部位设有分离连接装置。其中整流罩用于保护卫星及其它有效载荷，以防止卫星受气动力、气动加热及声振等有害环境的影响，是运载火箭的重要组成部分。火箭在发射升空时，发动机点火后液体推进剂燃烧，经拉瓦尔喷管产生高温高速燃气，同时与静止空气相互作用诱发射流噪声。火箭发射试验时，尤其是大推力重型运载火箭，从高压强发动机内排出的高速炽热射流经导流装置，诱发强烈噪声向远处传播，由于声波对运载火箭箭体产生了很强的声载荷，对舱段内的航天员或者多种精密仪器设备造成干扰影响，在新一代大推力运载火箭发射系统的射流噪声环境控制问题越来越突出。火箭射流噪声可能会对整流罩内部的人造卫星以及其它有效载荷和级间段的控制装置造成破坏，危害火箭的发射安全，严重时，会造成火箭发射失败。

开展单喷管运载火箭射流噪声预测，获取频谱曲线，为仪器设备和载人航天器提供较好的外部环境激励、进一步开展噪声预示及噪声控制技术应用提供基础。west,jeff在《developmentofmodelingcapabilitiesforlaunchpadacousticsandignitiontransientenvironmentprediction》一文中，采用5亿网格、3000个处理器对ares-ⅰ运载火箭进行噪声预测。随着对大推力火箭需求日益增加，会带来发射环境越发恶劣、火箭噪声计算域增大，这时就迫切需要一种在保证计算精度的同时，降低网格数量，提高计算效率的数值仿真方法预测火箭射流噪声。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种预测单喷管运载火箭射流噪声的数值方法，以解决单喷管运载火箭射流噪声计算时间周期长的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种预测单喷管运载火箭射流噪声的数值方法，包括以下步骤：

步骤1、建立单喷管运载火箭三维模型：

所述单喷管火箭三维模型包括火箭、喷管、地面和导流槽；三维模型参数要与实际工程保持一致，与实际工程中的单喷管火箭进行1：1等比建模。

步骤2、利用分区结构化网格法对单喷管火箭三维模型进行网格划分：

对单喷管运载火箭三维模型进行子域分块处理，将总体计算域分为两个子域：一个子域为地面以上的区域一，包括火箭和喷管及它们的外域；另一个子域为地面以下区域二，包括导流槽内域；

步骤3、计算单喷管运载火箭燃气射流稳态流场，得出初始的声场信息；

步骤4、利用步骤3得出初始的声场信息，采用非线性扰动方程对湍流脉动信号重构；

其中，q′为瞬态扰动项，为瞬态平均项，fi′为无黏扰动项，为无黏平均项，为黏性扰动项，为黏性平均项，xi为x轴、y轴和z轴各坐标轴的分量；

其中i,j,k的取值均为1、2、3，其中1、2、3分别表示x轴、y轴和z轴方向；为火箭燃气密度；ui,uj,uk分别为沿x轴、y轴、z轴方向的速度；p为压强；e为单位体积能；δij为克罗内克函数；τki为剪切应力项，表示对某物理量*求平均，*′表示某物理量*扰动项；

步骤5、基于声学比拟法的fw-h方程，收集远场接收点噪声信息，输出噪声收到点的频谱曲线。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)有效解决了单喷管运载火箭整体流场区域大、网格规模大、计算效率低的问题，同时解决了预测单喷管运载火箭射流噪声计算精度的问题。

(2)采用的非线性扰动方程扩散低，能够有效捕捉子网格尺度计算的噪声；因而，与其它湍流模型比，采用相对较少的网格即能取得良好的数值精度。

(3)采用非线性扰动方程，减少了单喷管火箭射流噪声的计算时间。

附图说明

图1为本发明预测单喷管运载火箭射流噪声的数值方法流程图。

图2为本发明单喷管运载火箭三维模型图，定义喷管出口圆心位置是坐标原点，火箭噪声接收点s1、s2、s3位于喷管出口正上方，且分别距离喷管出口46m、34m、22m。

图3为本发明单喷管运载火箭三维模型剖视图。

图4为本发明单喷管运载火箭分区结构化网格图。

图5为本发明单喷管运载火箭噪声接收点s1频率曲线图，其中横坐标f表示频率，纵坐标spl表示声压级。

图6为本发明单喷管运载火箭噪声接收点s2频率曲线图，其中横坐标f表示频率，纵坐标spl表示声压级。

图7为本发明单喷管运载火箭噪声接收点s3频率曲线图，其中横坐标f表示频率，纵坐标spl表示声压级。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，本发明所述的一种预测单喷管运载火箭射流噪声的数值方法，包括以下步骤：

步骤1、建立单喷管运载火箭三维模型：

结合图2，通过solidworks软件建立单喷管火箭三维模型，所述的单喷管火箭三维模型包括火箭1、喷管2、地面3和导流槽4；三维模型参数要与实际工程保持一致，与实际工程中的单喷管火箭进行1：1等比建模。

步骤2、利用分区结构化网格法对单喷管火箭三维模型进行网格划分：

结合图4，对单喷管运载火箭三维模型进行子域分块处理，将总体计算域分为两个子域：一个子域为地面以上的区域一，包括火箭1和喷管2及它们的外域；另一个子域为地面以下区域二，包括导流槽3内域。

步骤3、计算单喷管运载火箭燃气射流稳态流场，得出初始的声场信息；

步骤3-1、对火箭燃气作以下基本假设：(1)燃气满足连续介质；(2)燃气为可压缩纯气相介质；(3)燃气内部无化学反应发生；(4)燃气满足理想气体状态方程。

步骤3-2、采用欧拉描述方法，在cartesian坐标系下，假设在某一时刻t，流场中某一固定位置取一个控制体v，在控制体v内取任意的标量φ，则该标量满足守恒方程

式中，ρ为火箭燃气密度，为速度矢量。方程左边第一项为瞬态项，表示标量φ随时间的变化率；左边第二项为对流项；方程右侧第一项为扩散项，其中γ为扩散项系数，因守恒方程形式不同而不同；右侧第二项sφ为根据守恒方程不同而变化的方程源项。

步骤3-3、用各向异性的二方程cubick-ε湍流模型计算火箭燃气射流稳态流场，得出初始的声场信息：

其中，uj为笛卡尔坐标系下平均速度分量(j＝1，2，3)，xj是笛卡尔直角坐标系下相对应的坐标分量，ρ为火箭燃气密度，μ是粘性系数，μt是涡粘系数，k为湍动能，ε为湍动能耗散率，pk为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，e为用户定义的源项，为湍流应力张量，ui,j为ui在坐标xj方向的导数，tt为湍流时间尺度，常数项σk＝1.0，σε＝1.3，cε1＝1.44，cε2＝1.92。

步骤4、利用步骤3得出初始的声场信息，采用非线性扰动方程对湍流脉动信号重构；

其中，q′为瞬态扰动项，为瞬态平均项，fi′为无黏扰动项，为无黏平均项，为黏性扰动项，为黏性平均项，xi为x轴、y轴和z轴各坐标轴的分量。

其中i,j,k的取值均为1、2、3，其中1、2、3分别表示x轴、y轴和z轴方向；为火箭燃气密度；ui,uj,uk分别为沿x轴、y轴、z轴方向的速度；p为压强；e为单位体积能；δij为克罗内克函数；τki为剪切应力项，表示对某物理量*求平均，*′表示某物理量*扰动项。

步骤5、基于声学比拟法的fw-h方程，收集远场接收点噪声信息，输出噪声收到点的频谱曲线：

步骤5-1、基于声学比拟法的fw-h方程，得出远场接收点噪声，输出噪声收到点的频谱曲线：

1969年，在curle方程基础上，考虑到固体壁面对声音的影响，ffowcswilliams和hawking运用广义函数理论得到fw-h方程：

式中，a0为远场声速，p′为观测点声压，x′i为坐标i方向上的分量(i＝1，2，3)，tij为莱特希尔(lighthill)应力张量，nj为控制面上的单位外法向矢量，u′i为在x′i方向的流体速度分量，un和vn分别为垂直于积分面的流体速度分量和积分面移动速度分量，ρ0为未受到扰动时的流体密度的均值，ρ为火箭燃气密度；pij为应力张量，δ(f)为狄拉克(diracdelta)函数；h(f)为赫维塞德(heaviside)函数。

步骤5-2、在捕捉声源信息的声源面进行傅里叶变换，计算后可得到噪声结果噪声接收点的频率曲线，为仪器设备和载人航天器提供较好的外部环境激励、进一步开展噪声预示及噪声控制技术应用提供基础。

实施例

结合图1，一种预测单喷管火箭射流噪声的数值方法，按上述具体实施方式中步骤，包括以下步骤：

步骤1、建立单喷管火箭三维模型；

结合图2，三维模型包括火箭1、喷管2以及导流槽3，与实际工程多喷管火箭进行1：1等比建模。

步骤2、利用分区结构化网格方法对三维模型进行网格划分；

结合图3，对几何模型进行分区结构化网格处理，对带导流槽的单喷管火箭划分网格，最后网格总数在370万左右。

步骤3、建立单喷管火箭射流流场的数学模型：用各向异性的二方程cubick-ε湍流模型计算火箭燃气射流稳态流场，得出初始的声场信息；

燃烧室总压：1.75*10⁷pa燃烧室总温：3800k计算域的外部边界赋大气条件，并满足特征边界条件，即外部边界满足无反射条件，喷管和其它固壁赋绝热无滑移壁面条件。

步骤4、利用步骤3计算结果，采用非线性扰动方程对湍流脉动信号重构；

步骤5、基于声学比拟法的fw-h方程，得出远场接收点噪声，输出噪声收到点的频谱曲线。

本文中所设计的一种关于预测单喷管运载火箭射流噪声的数值计算方法，在利用40个cpu并行计算的情况下耗时十天输出位于喷管轴线上的噪声监测点的频率曲线，如下图所示，图5显示单喷管火箭噪声接收点s1频率曲线，图6显示单喷管火箭噪声接收点s2频率曲线，图7显示单喷管火箭噪声接收点s3频率曲线。本发明方法在保证计算精度的同时，能够降低网格数量，提高计算效率，计算结果能为预测火箭噪声提供理论和技术指导。