预测单喷管运载火箭射流噪声的数值方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110457804A(43)申请公布日2019.11.15(21)申请号201910702106.9(22)申请日2019.07.31(71)申请人南京理工大学地址210094江苏省南京市玄武区孝陵卫200号(72)发明人邢成龙乐贵高(74)专利代理机构南京理工大学专利中心32203代理人朱沉雁(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图4页(54)发明名称预测单喷管运载火箭射流噪声的数值方法(57)摘要本发明公开了一种预测单喷管运载火箭射流噪声的数值方法，首先，建立单喷管运载火箭三维模型，利用分区结构化网格法对单喷管运载火箭三维模型进行网格划分；再次，计算单喷管运载火箭燃气射流稳态流场，得到初始的声场信息；从稳态流场得到初始的声场信息，采用非线性扰动方程对湍流脉动信号重构；最后，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。本发明在保证计算精度的同时，降低网格数量，提高计算效率。CN110457804ACN110457804A权利要求书1/2页1.一种预测单喷管运载火箭射流噪声的数值方法，其特征在于，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(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：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；v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，(Fi)′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。2.根据权利要求1所述的预测单喷管运载火箭射流噪声的数值方法，其特征在于，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2CN110457804A权利要求书2/2页式中，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，其中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。3.根据权利要求1所述的预测单喷管运载火箭射流噪声的数值方法，其特征在于，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，具体如下：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：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，其中i＝1，2，3，Tij为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