[发明专利]预测单喷管运载火箭射流噪声的数值方法

说明书

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。

技术领域

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《Development of Modeling Capabilities for Launch Pad Acoustics and IgnitionTransient Environment Prediction》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。

发明内容

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，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；