理想情况下,固体火箭发动机药柱的燃烧过程中遵循平行层燃烧定理。然而,在实用发动机中,非均质推进剂、侵蚀燃烧、粒子流冲刷、横向过载、旋转等因素都会使得实际燃烧过程偏离平行层燃烧定理。要对固体火箭发动机的性能进行准确预估,就必须在内弹道仿真过程中考虑非等距退移因素。由于上述影响局部燃速的因素难以使用解析方法表达,非等距退移的影响也难以用解析方法或实体造型法计算,而必须使用相关的数值算法。从图形学角度来看,这个问题相当于是跟踪一个在不均匀速度场中运动的点集/曲面。
解决该问题的数值算法,基本思路是将固体火箭发动机药柱离散为易于处理的简单图元,对每一个图元做处理,再将结果合并。从思路大体上可以分为两类:拉格朗日法与欧拉法[5]。拉格朗日法使用显式方法处理图形,将药柱离散为小面片等图元,计算每个图元的退移。拉格朗日法计算量小,但通用性方面较欧拉法略差。欧拉法使用隐式方法处理图形,将药柱表面表示为场函数中的等值面。这一方法的典型例子包括Level Set法[6],最短距离场法[7]以及快速推进法[8]。欧拉法的计算量相对较大,但由于欧拉法中对各个元素处理方式统一,可以方便地采用并行计算技术进行加速。
Level Set 法是欧拉法中较为基础的方法,国外已经有了较多的相关研究[10,11,12,14,15,16],证明其在固体火箭发动机燃面推移领域有极强的兼容性。文献[11]研究了在Level Set方法中应用高精度的差分格式所带来的精度提升。文献[14]使用Level Set方法对阿丽亚娜火箭固体助推器中的多批次浇铸效应进行了研究,并形成了实用的仿真软件(LVOLINA),证明了Level Set方法在处理非等距退移问题上的能力。文献[15]基于Level Set方法,建立了一套完整的内弹道仿真模型。这些研究取得了一定成果,但也存在着一些共有的问题:首先,多数文献使用了加权方法从场函数中获取统计数据(如燃面面积),这种方法已经被证明存在精度问题(三维情况下会产生O(1)阶误差);其次,由于使用了加权方法,程序运行过程中没有生成显式的曲面,故无法在后续步骤中进行耦合仿真。
关注非等距退移的文献包括[10,14,16]。文献[10]中只是简单提及,未做深入分析。文献[14]只考虑了多次浇铸造成了影响,没有提供通用算法或细节。文献[16]则开发了一种称为“准3D”的形式来计算侵蚀燃烧的影响,该方法并非真正的非等距退移仿真,而是计算大量的2D截面再行插值,结果有一定误差。相对于等距退移,使用Level Set方法进行非等距退移的研究相对较少,原因是非等距退移仿真的计算量较之等距退移大大增加,已经到了普通桌面计算机无法承受的地步。要形成实用化的仿真软件,必须求助于并行计算技术。
国内关于Level Set方法的研究包括[9,13]。文献[9]中,作者将Level Set方法嵌入到了一个优化系统中,证明Level Set算法足以在没有人工调整的情况下处理大量具有不同几何结构的药柱。文献[13]中,作者尝试了使用Level Set方法处理带有缺陷的药柱,并取得了合理的结果。
其他关于欧拉法的研究包括最短距离场法[1,7,17,18]与快速推进法[8]。这两种方法实质上是Level Set方法的变种:最短距离场法可以看做是Level Set方法在均匀速度场条件下的半解析解,而快速推进法则是Level Set方法在速度场恒定(相对于时间)条件下的快速解法。显然,最短距离场方法不适用于非等距退移仿真,而快速推进法在耦合仿真等退移速度动态变化的情况下也没有优势。此外,由于快速推进法的计算流程是串行的,难以从并行计算技术中获益。综上,要形成实用的仿真工具,最好的选择仍是Level Set方法。
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