(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211108422.1 (22)申请日 2022.09.09 (71)申请人 北京理工大 学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 张旭东　魏志军　于海旭　 (74)专利代理 机构 北京正阳理工知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11639 专利代理师 邬晓楠 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 基于动网格和重叠网格的柔性延伸喷管型 面展开预测方法 (57)摘要 本发明公开的基于动网格和重叠网格的柔 性延伸喷管型面展开预测方法， 属于火箭发动机 柔性延伸喷管领域。 本发明针对柔性延伸喷管的 型面展开动态运动特点将喷管延伸段与外流场 区域设置为动计算域， 其余区域设置为静计算 域； 基于FLUENT动网格实现柔性延伸喷管型面展 开运动的动态模拟； 基于重叠网格耦合设置实现 动、 静计算域之间的数据传递， 基于动网格技术 和重叠网格技术的耦合联用进行柔性延伸喷管 非定常动态 流动预测， 实现火箭发动机柔性延伸 喷管在超声速燃气流下性能预估。 本发明能够分 析构建柔性延伸喷管超声速流动规律， 便于优化 柔性延伸喷管的结构， 实现火箭发动机柔性延伸 喷管型面展开的随控随调， 并解决柔性延伸喷管 工程应用问题。 权利要求书3页 说明书7页 附图5页 CN 115470571 A 2022.12.13 CN 115470571 A 1.基于动网格和重叠网格的柔性延伸喷管型面展开预测方法， 其特征在于： 包括如下 步骤， 步骤一： 在超声速燃气流动条件下对火箭发动机柔性延伸喷管的型面展开运动过程进 行预测， 首先需要对基础喷管和延伸段之间的相对运动进行模拟； 柔性延伸喷管 的型面展 开是由喷管延伸段不断外延和气 体展开裙逐渐拉伸实现的， 并由气 体展开裙内侧的记忆合 金维持喷管内型面完整， 同时增强型面刚度； 针对火箭发动机柔性延伸喷管 的型面展开运 动过程的上述特点， 将火箭发动机柔性延伸喷管建模为轴对称模型， 将基础喷管与延伸段 之间的相对运动简化 为两层叠刚体的相对平行移动， 并确定轴对称模型的几何参数； 步骤二： 对步骤一建立的火箭发动机柔性延伸喷管几何模型建立动、 静流体计算域， 并 分块对流体计算域进 行网格划分； 针对火箭 发动机柔性延伸喷管的型面展开运动过程的特 点， 将喷管延伸段与外流场区域设置为动计算域， 其余区域设置为静计算域， 其中： 动计算 域用于提高火箭 发动机柔性延伸喷管在 超声速燃气流下非定常流动特性预测精度， 静计算 域用于在保证火箭发动机柔性延伸喷管在超声速燃气流下非定常流动特性预测精度的前 提下， 提升预测效率； 在所述动、 静流体计算域进行网格划分， 得到火箭发动机柔性延伸喷 管的计算网格； 在所述计算网格中对动计算域的喷管延伸段区域进行边界层 网格加密， 使 边界层网格满足y+的合理范围； 在静计算域的喷管内壁面、 喉部和喷管出口区域处进行网 格加密， 以便提高计算精度并更好 地捕捉喷管近壁 面参数； 步骤三： 基于步骤二划分的火箭发动机柔性延伸喷管计算网格， 采用重叠网格技术进 行动、 静计算域的耦合； 基于重叠网格耦合设置实现动、 静计算域之间的数据传递， 在满足 预测精度的前提下提高柔 性延伸喷管非定常动态流动预测效率； 步骤四： 采用动网格技术对火箭发动机柔性延伸喷管计算模型进行柔性延伸喷管型面 展开运动的动态模拟； 所述的喷管型面展开运动的动态模拟是基于FLUENT的动网格技术 实 现的； 在动计算域采用动网格技术实现网格节点的运动， 通过网格节点的运动和更新实现 网格的运动， 进而实现柔性延伸喷管延伸段 的动态运动； 所述网格节点的运动是在整个动 计算域内进行 的， 而网格节点的更新却只在动计算域的两侧 边界进行， 这样能够保持喷管 延伸段附近的边界层网格质量不变， 确保准确预测火箭 发动机柔性延伸喷管在 超声速燃气 流下非定常流动特性， 进 而实现柔 性延伸喷管在超声速 燃气流下的性能预估； 步骤五： 基于步骤一至步骤四开展柔性延伸喷管在超声速燃气流条件下的非定常数值 计算， 即基于动网格和重 叠网格实现柔 性延伸喷管 型面展开高效高精度预测。 2.如权利要求1所述的基于动网格和重叠网格的柔性延伸喷管型面展开预测方法， 其 特征在于： 还包括步骤六， 根据步骤五模拟得到的火箭发动机柔性延伸喷管在超声速燃气 流下非定常流动特性， 对柔性延伸喷管超声速燃气流动过程进行数值仿真分析及后处理， 得到火箭发动机柔性延伸喷管超声速燃气流的马赫数云图、 温度云图、 密度云图以及喷管 推力随时间变化的分布曲线图、 喷管比冲及各项比冲损失随时间变化的分布曲线图， 分析 构建柔性延伸喷管超声速流动规律， 便于进一步优化柔性延伸喷管 的结构， 实现火箭发动 机柔性延伸喷管 型面展开的随控随调， 并能够解决柔 性延伸喷管实际工程应用问题。 3.如权利要求1或2所述的基于动网格和重叠网格的柔性延伸喷管型面展开预测方法， 其特征在于： 步骤二中所述的y+为衡量网格精度的指 标， 其中y为第一层网格的厚度， μ为分 子粘度， ρ 为流体密度， τw为壁面剪切应力； 所述的合理范围针对喷管超声速燃气流应为0.1权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115470571 A 2≤y+≤2； 步骤二中所述的近壁 面参数包括 壁面压力、 摩擦力； 步骤三中所述的动、 静计算 域之间的数据传递包括质量、 动量以及能量的传递。 4.如权利要求3所述的基于动网格和重叠网格的柔性延伸喷管型面展开预测方法， 其 特征在于： 采用CAD软件将火箭发动机柔 性延伸喷管建模为轴对称模型。 5.如权利要求3所述的基于动网格和重叠网格的柔性延伸喷管型面展开预测方法， 其 特征在于： 为了提高数值计算精度和计算效率， 动、 静区域的网格均采用结构网格。 6.如权利要求3所述的基于动网格和重叠网格的柔性延伸喷管型面展开预测方法， 其 特征在于： 为保证计算模型的合理性， 同时提升计算精度和效率， 采用Matching方法耦合流 体域与流体域交界处的网格， 采用Coupled方法耦合 流体域与固体域交界处的网格。 7.如权利要求3所述的基于动网格和重叠网格的柔性延伸喷管型面展开预测方法， 其 特征在于： 采用FLUENT 进行柔性延伸喷管在超声速 燃气流条件下的非定常数值预测。 8.如权利要求3所述的基于动网格和重叠网格的柔性延伸喷管型面展开预测方法， 其 特征在于： 为了提高网格节点运动的精度， 采用UDF编译网格运动条件， 并链接到FLUENT的 求解器中。 9.如权利要求3所述的基于动网格和重叠网格的柔性延伸喷管型面展开预测方法， 其 特征在于： 为保证计算模 型的合理性， 同时提升预测精度和效率， 湍流模 型采用SST  k‑ω模 型， 边界条件 采用压力入口和压力出口条件， 求 解方法采用二阶迎风格式的双精度求 解器。 10.如权利要求2至9任意一项所述的基于动网格和重叠网格的柔性延伸喷管型面展开 预测方法， 其特征在于： 由于柔性延伸喷管的计算模型有别于传统的固定喷管， 为了准确获 得柔性延伸喷管的推力、 比冲和各项比冲损失， 需对喷管推力、 喷管比冲及各项损失的计算 公式加以修 正； 步骤六中所述的喷管推力、 喷管比冲及各项损失采用如下公式计算： 火箭喷管推力的计算公式为 其中， 为质量流率、 ve为喷管出口排气速度、 Pe为喷管出口压强、 Pa为外界压强、 Ae为喷 管出口截面积； 采用(1.2)计算推力需要获取喷管出口截面的气动参数； 柔性延伸喷管的延伸段在每 一时刻的位置不同， 喷管的出口截面是实时变化的， 因而不便于采用该公式计算； 针对柔性 延伸喷管模型， 推力的计算公式应采用 其中， Pn为喷管固定扩张段截面压强， An为固定扩张段截面面积， Pi为喷管运动扩张段 内壁面压强， A为 运动扩张段的横截面积； (1.3)中， 项表征了固定段喷管的推力， 项表征运动扩 张段所提供 的推力， 该项由数值软件直接得到， 因此更容易获取柔性延伸喷管在每一时刻 的推力；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115470571 A 3