(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 202210620989.0 (22)申请日 2022.06.02 (71)申请人 陕西师范大学 地址 710064 陕西省西安市雁塔区长延堡 办长安南路199号 (72)发明人 金蔚　王恒通　梁秀芳　 (74)专利代理 机构 西安佩腾特知识产权代理事 务所(普通 合伙) 61226 专利代理师 曹宇飞 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/25(2020.01) G06F 17/12(2006.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种热电磁复合场下氢氧混合气的动力学 模拟方法 (57)摘要 本发明属于航 天发动机技术领域， 涉及一种 热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法， 1)读取数据并对仿真区域进行网格划分； 2)利用 爆震燃烧非定常模拟得到粒子状态分布参数和 气动力推力； 3)将粒子状态分布参数作为初始 输 入条件， 利用粒子网格单元和蒙特卡洛碰撞方 法， 模拟得到热力学分布参数以及电磁推力； 4) 将气动力推力和电磁推力求和， 得到发动机的推 力。 本发明采用弱耦合模拟方法， 实现热电磁复 合场下的氢氧混合气体动力学模拟， 为复杂场环 境下的粒子动力学 数值模拟提供参 考。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 115186527 A 2022.10.14 CN 115186527 A 1.一种热电磁复合场下 氢氧混合气的动力学模拟方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 1)读取网格数据、 边界数据、 初场数据、 热力学反应数据、 压强数据、 温度数据、 粒子密 度数据、 速度数据以及组分 分布数据； 并对仿真区域进行网格划分； 2)将步骤1)读取的所有数据作为输入， 对发动机内的氢氧爆震燃烧反应进行非定常模 拟， 得到粒子状态分布参数和气动力推力； 3)将步骤2)的粒子状态分布参数作为初始输入条件， 利用粒子网格单元和蒙特卡洛碰 撞方法， 模拟发动机内部等离 子体流动规 律， 得到热力学分布参数以及电磁 推力； 4)将步骤2)的气动力推力和步骤3)的电磁 推力求和， 得到发动机的推力。 2.根据权利要求1所述的热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法， 其特征在于， 所述步骤2)的具体过程是： 2.1)对步骤1)读取的所有数据进行初始化， 为仿真区域的每 个网格赋初值； 2.2)求解氢氧爆震燃烧过程中氢氧化学反应动力学的可压缩方程组， 得到密度分布参 数、 粒子速度分布参数、 压强分布参数、 总能分布参数、 组分 分布参数以及温度分布参数； 2.3)根据上述得到的密度分布参数、 粒子速度分布参数、 压强分布参数、 总能分布参 数、 组分分布参数以及温度分布参数， 得到气动力推力F。 3.根据权利要求2所述的热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法， 其特征在于， 所述步骤2.2)包括以下步骤： 2.2.1)设定计算时间， 采用算子分裂方法， 在一个时间步长内耦合 求解可压缩方程组； 2.2.2)更新步骤1)读取的所有数据， 并按照步骤2.1)处理后， 进入下一时间步长按照 步骤2.2.1)继续求解； 直到设定的计算时间结束， 输出最终的密度参数、 速度参数、 压强参 数、 温度参数以及组分 分布参数。 4.根据权利要求3所述的热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法， 其特征在于， 所述步骤2.2.1)中， 可压缩方程组包括连续方程、 动量方程、 总能方程和组分方程； 所述连续方程 为 所述动量方程 为 所述总能方程 为 所述组分方程 为 其中： ρ 表示粒子密度； t表示时间； ui表示沿 方向的速度分量； uj表示沿 方向的速度分 量； xj表示沿 方向的位移分量； xi表示沿 方向的位移分量； τij表示粘性应力； E表 示总能； p 表示压强； qj表示热流； Vk,j表示扩散速度； 表示组分质量净生成速率； Yk表示第k个组分 的质量分数。 5.根据权利要求4所述的热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法， 其特征在于，权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115186527 A 2所述步骤2.2.1)可压缩方程组的求解方法是： 采用有限体积法分别对连续方程、 动量方程 和总能方程在 网格上进行积分离散， 然后求解； 采用分数步法将组分方程分解成常微分方 程和无源项的偏微分方程， 然后求 解。 6.根据权利要求5所述的热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法， 其特征在于， 所述步骤2.3)中， 所述气动力推力F的计算公式为： 其中： P3表示爆震燃烧压 强； P1表示燃烧 室初始压 强； U爆震波波速； V表示燃烧室体积； f 表示重复频率； K表示经验常数， 一般取5 。 7.根据权利要求3 ‑6任一项所述的热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法， 其 特征在于， 所述 步骤3)的具体过程是： 3.1)将步骤2.2.2)输出的密度 参数、 速度 参数、 压强参数、 温度 参数以及组分分布参数 作为初始输入条件， 根据模型参数设置求 解麦克斯韦方程， 得到 仿真区域的电磁场分布； 3.2)采用牛 顿运动方程， 求 解宏粒子的运动位置和运动速度： 3.3)采用蒙特卡洛方法对粒子间碰撞进行处理， 得到一个计算时间步长后粒子动力学 分布参数， 然后进入迭代循环， 直至计算达到稳定， 将最后一次计算的粒子动力学分布参数 作为输出； 3.4)根据输出的粒子动力学分布参数分别计算得到的数密度分布、 电场分布参数和电 磁分布参数， 同时求 解得出电磁推力T。 8.根据权利要求7所述的热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法， 其特征在于， 所述步骤3.1)中， 麦克斯韦方程 为： 其中： 表示矢量偏导算符； H表示磁场强度矢量； J表示电流密度矢量； D表示电位移矢 量； E1表示电场强度矢量； B表示磁感应强度矢量。 9.根据权利要求8所述的热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法， 其特征在于， 所述步骤3.2)中， 所述牛 顿运动方程 为： 其中： v表示粒子的速度； m表示粒子的质量； e表示电子电量； x表示 位移矢量。 10.根据权利要求9所述的热电磁复合场下氢氧混合气的动力学模拟方法， 其特征在 于， 所述步骤3.4)中， 电磁 推力T的计算公式为： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115186527 A 3