超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法及系統

本發明屬于發動機熱化學非平衡分區，尤其涉及超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法及系統。

背景技術：

1、超燃沖壓發動機是實現吸氣式高超聲速飛行的關鍵核心動力。高馬赫數超燃沖壓發動機，一般認為是飛行馬赫數超過8條件下的超燃沖壓發動機。適應高馬赫數飛行(ma≥8)的超燃沖壓發動機內部存在顯著的熱化學非平衡效應，對噴流燃燒和發動機性能造成顯著影響。現有非平衡效應對超燃沖壓發動機影響的研究中，通常針對發動機內部的局部波系結構、點火延遲、火焰傳播和加熱/冷卻效應。但是發動機前體、進氣道、隔離段、燃燒室和尾噴管幾何形式和流動特性各異，各自發揮功能，最終必須連接成一個有機整體實現有效推進。目前仍然缺乏在多時間尺度分析的基礎上對高馬赫數超燃沖壓發動機整體的熱化學非平衡效應分區的詳細刻畫。

2、熱化學非平衡的判別需要對流動特征時間、振動模態松弛時間和化學反應特征時間進行計算。發明人發現：

3、(1)流動特征時間定義為特征長度(l)和特征速度(u)的比值，即l/u。以往研究l/u的計算主要以全發動機尺寸為特征長度，u取來流速度或流場中軸線速度，但是這種計算方式的觀察尺度是全發動機，不利于分析超燃沖壓發動機內局部熱化學非平衡機理。

4、(2)通常對化學反應特征時間的計算需要根據反應階數及反應組分來選擇不同的方法，不具有普適性。

技術實現思路

1、為克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法及系統，適用于燃燒機理中的各階化學反應及流場各種反應組分，具有普適性；所定義的流動特征時間的計算方法具有局部視角，可以有效辨識超燃沖壓發動機整機的熱化學非平衡特性。

2、為實現上述目的，本發明的一個或多個實施例提供了如下技術方案：

3、本發明第一方面提供了超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法。

4、超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法，包括以下步驟：

5、對超燃沖壓發動機內流道進行考慮熱化學非平衡流動的噴氫點火和燃燒的數值模擬，得到流場流動和組分信息；

6、基于流場流動和組分信息，計算超燃沖壓發動機內部的局部流動特征時間、化學反應特征時間和振動模態松弛時間；

7、基于局部流動特征時間和振動模態松弛時間計算熱達姆科勒數，基于局部流動特征時間和化學反應特征時間計算化學達姆科勒數；

8、基于計算的熱達姆科勒數和化學達姆科勒數，分別表征超燃沖壓發動機內流場的熱力學非平衡特性和化學非平衡特性，實現對超燃沖壓發動機熱化學非平衡的辯識和分區。

9、本發明第二方面提供了超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識系統。

10、超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識系統，包括：

11、數值模擬模塊，被配置為：對超燃沖壓發動機內流道進行考慮熱化學非平衡流動的噴氫點火和燃燒的數值模擬，得到流場流動和組分信息；

12、特征時間計算模塊，被配置為：基于流場流動和組分信息，計算超燃沖壓發動機內部的局部流動特征時間、化學反應特征時間和振動模態松弛時間；

13、達姆科勒數表征模塊，被配置為：基于局部流動特征時間和振動模態松弛時間計算熱達姆科勒數，基于局部流動特征時間和化學反應特征時間計算化學達姆科勒數；

14、辨識分區模塊，被配置為：基于計算的熱達姆科勒數和化學達姆科勒數，分別表征超燃沖壓發動機內流場的熱力學非平衡特性和化學非平衡特性，實現對超燃沖壓發動機熱化學非平衡的辯識和分區。

15、本發明第三方面提供了計算機可讀存儲介質，其上存儲有程序，該程序被處理器執行時實現如本發明第一方面所述的超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法中的步驟。

16、本發明第四方面提供了電子設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的程序，所述處理器執行所述程序時實現如本發明第一方面所述的超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法中的步驟。

17、以上一個或多個技術方案存在以下有益效果：

18、本發明提供了一種超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法及系統，定義的流動特征時間具有局部視角，有利于分析超燃沖壓發動機整機的局部熱化學非平衡特性。同時，本發明定義的化學反應特征時間是基于組分連續性方程推導得出，適用于各階化學反應及各種反應組分。基于本發明的定義，可以在多時間尺度分析的基礎上辨識出超燃沖壓發動機內流道完整的熱化學非平衡分區特性，這對于把握流動和燃燒內在特性、發動機總體性能以及催生新設計原理和思路，具有重要意義。

19、本發明定義了熱達姆科勒數和化學達姆科勒數，基于局部流動特征時間和振動模態松弛時間計算熱達姆科勒數，基于局部流動特征時間和化學反應特征時間計算化學達姆科勒數，并分別表征超燃沖壓發動機內流場的熱力學非平衡特性和化學非平衡特性，能夠非常直觀、方便的實現對超燃沖壓發動機熱化學非平衡的辯識和分區。

20、本發明附加方面的優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

技術特征：

1.超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權利要求1所述的超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法，其特征在于，所述數值模擬得到的流場流動和組分信息包括非平衡條件下的平動-轉動溫度ttr、壓力p、混合物的密度ρ、流場中組分s的密度ρs及組分s的化學反應源項ωs。

3.如權利要求1所述的超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法，其特征在于，所述局部流動特征時間τf的計算方法為：

4.如權利要求1所述的超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法，其特征在于，所述熱達姆科勒數dav和化學達姆科勒數dache具體定義如下：

5.如權利要求1所述的超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法，其特征在于：

6.如權利要求1所述的超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法，其特征在于：

7.如權利要求3所述的超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法，其特征在于，以化學反應速率定義的化學反應時間τche(reaction)和以組分定義的化學反應時間τche(species)是根據連續性方程推導得出，適用于各階化學反應及各種反應組分。

8.超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識系統，其特征在于，包括：

9.計算機可讀存儲介質，其上存儲有程序，其特征在于，該程序被處理器執行時實現如權利要求1-7任一項所述的超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法中的步驟。

10.電子設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的程序，其特征在于，所述處理器執行所述程序時實現如權利要求1-7任一項所述的超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法中的步驟。

技術總結
本發明提出了超燃沖壓發動機熱化學非平衡分區辯識方法及系統，涉及發動機熱化學非平衡分區技術領域。包括數值模擬得到流場流動和組分信息；基于流場流動和組分信息，計算超燃沖壓發動機內部的局部流動特征時間、化學反應特征時間和振動模態松弛時間；基于局部流動特征時間和振動模態松弛時間計算熱達姆科勒數，基于局部流動特征時間和化學反應特征時間計算化學達姆科勒數；基于計算的熱達姆科勒數和化學達姆科勒數，實現對超燃沖壓發動機熱化學非平衡的辯識和分區。本發明建立了局部流動特征時間和適用于各階化學反應及各種反應組分的化學反應時間的計算方法，進而對高馬赫數超燃沖壓發動機熱化學非平衡進行分區辯識。

技術研發人員：王京盈,張詩玥,趙薇,楊星鏈,孫柯
受保護的技術使用者：山東大學
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21