運載火箭熱分離仿真參數化建模及動網格技術研究

胡曉軍，完顏振海，梁 磊，李 妍，楊 亮

運載火箭熱分離仿真參數化建模及動網格技術研究

胡曉軍，完顏振海，梁 磊，李 妍，楊 亮

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

針對多級火箭級間熱分離過程的特點，提出了三維模型參數化建模及分離仿真過程中的動網格技術。通過提取級間分離模型的主要設計參數變量，在此基礎上構建參數化網格模型，使得仿真模型能夠適應設計變量變化，從而實現自動化快速建模，同時在仿真過程中采用彈簧近似光滑法和局部重新劃分法的動網格技術，實現了動態分離過程仿真并對仿真結果進行了分析。

熱分離仿真；參數化建模；非定常計算流體動力學；動網格技術

0 引 言

在運載火箭研制過程中分離技術十分重要，分離技術涉及到火箭外形選擇與布局、總體參數選擇、動力系統設計、彈道設計、姿態控制設計和彈體結構設計等方面，是現代火箭總體設計和發射的關鍵技術之一。根據運載火箭各級之間的分離動力不同，可分為2種方式：a）冷分離，也叫自由分離，指依靠分離彈簧等輔助動力或自身的重力和氣動力實現分離；b）熱分離，指分離動力來自于火箭繼續飛行上面級的發動機。火箭級間分離的研究表明，級間熱分離具有改善和提高繼續飛行級的穩定性、可操作性等特點而被廣泛應用于運載火箭上。熱分離過程可以分為發動機點火建壓、連接螺栓剪斷或爆炸、下面級分離 3個階段，雖然整個過程時間短，但物理現象極為復雜。

由于級間熱分離主要分離沖量是級間壓力和飛行級發動機噴流力，而且分離過程中上面級箭體姿態控制系統參與控制，所以將氣動、姿態控制與分離等專業耦合對分離運動過程進行仿真模擬是型號進一步發展和設計優化的必然趨勢。

1 熱分離仿真架構

級間熱分離仿真旨在自動化完成級間分離在流體力學數值模擬中前處理幾何造型、網格劃分、Fluent軟件求解器設定、初邊條件設定和數值求解，后處理中計算結果的可視化輸出過程，最終實現級間區的時變壓力場、溫度場分布、二級結構特征點壓力、溫度特征及分離過程中動力學和運動學規律等分析研究。在級間分離仿真中，參數化建模和動網格技術是熱分離仿真的關鍵，模型及網格的好壞決定了仿真結果的優劣。

火箭熱分離仿真架構如圖1所示。

圖1 火箭熱分離仿真架構

2 參數化建模

2.1 結構建模參數化

結構參數化模型是指通過參數（變量）而不是固定的值建立的仿真分析模型，通過簡單地改變模型中的參數值就能建立新的仿真分析模型。對于目前大多數三維幾何設計軟件而言，例如Pro/Engineer、CATΙA，都具備參數化建模功能，但其參數變量的作用域無法延伸到網格模型中，因此也無法實現后續的參數化仿真計算。本文將變量設置在仿真前處理過程中，從而實現網格建模的參數化。具體方法為在流體仿真前處理軟件ΙCEM CFD中，通過將參數化幾何特征形成的格式化數據點轉化成擬合曲線或曲面來實現建模的參數化。

在多級火箭熱分離仿真中，為實現建模參數化，必須將用戶輸入的參數轉變成ΙCEM CFD可以識別的格式化數據點。圖2為數據點格式化后的參數化模型結構示意。

圖2 參數化建模結構示意

2.2 網格建模參數化

網格建模的參數化是通過ΙCEM CFD軟件中的命令流記錄文件（即RPL腳本語言）來實現的，RPL語言由軟件生成并進行修改，通過程序重新讀入自動運行操作命令。在執行網格建模參數化時，可以針對某一標準的模型進行建模，并記錄建模過程，將需要變化的模型尺寸設置為變量，通過修改變量值，重新運行腳本生成新的仿真模型，從而可以節約大量的仿真建模時間。對于火箭級間熱分離仿真而言，箭體上面級和下面級的結構尺寸，例如長度、半徑等，都可以方便地實現參數化，按照參數設計空間建立仿真模型并開展仿真分析，得到熱分離仿真結果隨設計參數變化的規律，進行多變量約束優化，得到更佳的級間分離設計方案。

網格的自動劃分可以分為以下步驟：

a）生成原始RPL；

b）根據幾何數據修改RPL并設置參數變量；

c）打開ΙCEM CFD軟件運行RPL；

d）讀入基于變量的格式化幾何數據文件；

e）輸出格式化的網格文件。

圖3為應用網格生成參數化技術生成的火箭級間段參數化網格。

圖3 火箭級間段參數化網格

3 動網格技術

在火箭級間熱分離仿真中，需要使用動網格技術模擬火箭一、二級分離的動態過程和噴管擺動的過程。涉及流場的動網格可以分為2類：a）預定義邊界運動，例如級間分離過程中的噴管運動為有控運動，需要對其運動規律進行定義；b）流動驅動運動，這類運動由流場的壓力分布來確定，需要對前一步仿真結果進行積分運算。無論是哪種運動，都需要網格變化進行支撐，在使用Fluent等軟件開展仿真分析時，需要根據單個或幾個迭代步對網格進行更新。邊界的運動方式既可以采用型函數來表示，也可以采用用戶自定義函數（User-Defined Function，UDF）來實現。在仿真建模中，可以對網格的不同區域進行劃分，各部分網格邊界不一定連續，可以通過交界面來連接。

多級火箭級間熱分離仿真的動網格基于非結構化網格區域，采用彈簧近似光滑技術和局部重劃技術相結合的方法來實現網格變化。在仿真計算中，通過設置網格質量控制參數，對由于網格運動而導致質量變差的單元進行重新剖分。對于Fluent軟件而言，網格質量控制參數主要為網格畸變率和網格尺寸。在仿真計算中，變形區域的網格如果大于最大約束尺寸或者大于最小約束尺寸或者畸變率過大，則對其進行標記，并在下一步仿真計算中對標記的網格進行重新剖分。圖4為火箭級間段動網格的截面。由圖4可以看出隨著級間距離的增加，區域的動網格不斷重剖分。

圖4 火箭級間區域動網格

4 仿真結果分析

應用第2、3節所述的方法建模及劃分網格，并與姿態控制、分離等專業耦合，根據分離時的火箭飛行高度、馬赫數、大氣參數等，對分離運動過程進行仿真，某時刻的仿真結果如圖5所示。

圖5 某時刻級間仿真結果

續圖5

由圖5可以看出，利用參數化建模及動網格技術的火箭熱分離仿真，能夠較好地模擬級間分離流場的級間段內流場參數變化、彈體在流體動力下運動軌跡變化、級間段溫度和流場隨時間變化等非定常變化過程。

5 結 論

參數化建模及動網格生成技術在多級火箭熱分離仿真中起到關鍵作用，在對某火箭級間熱分離過程的仿真結果分析中應用了相關技術，結論如下：

a）利用三維參數化建模及網格生成技術，通過ΙCEM CFD進行參數化幾何建模及網格劃分，并根據級間分離運動特點劃分計算控制區域，研究網格劃分策略，保證了計算控制區域的網格質量和網格數量；

b）采用多層包裹域的網格劃分方法，結合動網格處理技術，可以精確計算分離過程的非定常氣動力，能解決傳統分離仿真中采用插值擬合工程估算帶來氣動力誤差大的問題。

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Research on Parametric Modeling and Dynamic Meshing Technology of the Hot Stage Separation of A Multi-stage Rocket

Hu Xiao-jun, Wanyan Zhen-hai, Liang Lei, Li Yan, Yang Liang
(Beijing Ιnstitute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

According to the characteristics of the stage separation of a multi-stage rocket, a parametric modeling and dynamic meshing technology is introduced to simulate the separation process. Main design parametric variables are extracted, and based on which parametric meshing model is constructed. The model can adapt to design variables, and automatically modeling is realized. During the simulation, dynamic meshing technology is adopted, including smoothing and remeshing methods. Dynamic simulation is conducted and the result of which is analyzed.

Hot-separation simulation; Parametric modeling; Transient Computational Fluid Dynamics; Dynamic meshing

V421

A

1004-7182(2017)04-0010-03 DOΙ：10.7654/j.issn.1004-7182.20170403

2016-01-15；

2016-07-01

胡曉軍（1975-），男，高級工程師，主要研究方向為運載火箭總體設計