[发明专利]预测单喷管运载火箭射流噪声的数值方法

权利要求书

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：

所述单喷管运载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运载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(4)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，F_i′为无黏扰动项，为无黏平均项，(F_i^υ)′为黏性扰动项，为黏性平均项，x_i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；ρ为火箭燃气密度；u_i,u_j,u_k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；δ_ij为克罗内克函数；τ_ki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

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S_φ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Cubic k-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，U_j为笛卡尔坐标系下平均速度分量，其中j＝1，2，3，x_j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，μ_t是涡粘系数，k为湍动能，ε为湍动能耗散率，P_k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，U_i,j为U_i在坐标x_j方向的导数，T_t为湍流时间尺度，常数项σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3，C_ε1＝1.44，C_ε2＝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，Ffowcs Williams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，T_ij为Lighthill应力张量，n_j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，u_n和v_n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；P_ij为应力张量，δ(f)为Dirac delta函数；H(f)为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。