胡晓军，完颜振海，梁 磊，李 妍，杨 亮

运载火箭热分离仿真参数化建模及动网格技术研究

胡晓军，完颜振海，梁 磊，李 妍，杨 亮

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

针对多级火箭级间热分离过程的特点，提出了三维模型参数化建模及分离仿真过程中的动网格技术。通过提取级间分离模型的主要设计参数变量，在此基础上构建参数化网格模型，使得仿真模型能够适应设计变量变化，从而实现自动化快速建模，同时在仿真过程中采用弹簧近似光滑法和局部重新划分法的动网格技术，实现了动态分离过程仿真并对仿真结果进行了分析。

热分离仿真；参数化建模；非定常计算流体动力学；动网格技术

0 引 言

在运载火箭研制过程中分离技术十分重要，分离技术涉及到火箭外形选择与布局、总体参数选择、动力系统设计、弹道设计、姿态控制设计和弹体结构设计等方面，是现代火箭总体设计和发射的关键技术之一。根据运载火箭各级之间的分离动力不同，可分为2种方式：a）冷分离，也叫自由分离，指依靠分离弹簧等辅助动力或自身的重力和气动力实现分离；b）热分离，指分离动力来自于火箭继续飞行上面级的发动机。火箭级间分离的研究表明，级间热分离具有改善和提高继续飞行级的稳定性、可操作性等特点而被广泛应用于运载火箭上。热分离过程可以分为发动机点火建压、连接螺栓剪断或爆炸、下面级分离 3个阶段，虽然整个过程时间短，但物理现象极为复杂。

由于级间热分离主要分离冲量是级间压力和飞行级发动机喷流力，而且分离过程中上面级箭体姿态控制系统参与控制，所以将气动、姿态控制与分离等专业耦合对分离运动过程进行仿真模拟是型号进一步发展和设计优化的必然趋势。

1 热分离仿真架构

级间热分离仿真旨在自动化完成级间分离在流体力学数值模拟中前处理几何造型、网格划分、Fluent软件求解器设定、初边条件设定和数值求解，后处理中计算结果的可视化输出过程，最终实现级间区的时变压力场、温度场分布、二级结构特征点压力、温度特征及分离过程中动力学和运动学规律等分析研究。在级间分离仿真中，参数化建模和动网格技术是热分离仿真的关键，模型及网格的好坏决定了仿真结果的优劣。

火箭热分离仿真架构如图1所示。

图1 火箭热分离仿真架构

2 参数化建模

2.1 结构建模参数化

结构参数化模型是指通过参数（变量）而不是固定的值建立的仿真分析模型，通过简单地改变模型中的参数值就能建立新的仿真分析模型。对于目前大多数三维几何设计软件而言，例如Pro/Engineer、CATΙA，都具备参数化建模功能，但其参数变量的作用域无法延伸到网格模型中，因此也无法实现后续的参数化仿真计算。本文将变量设置在仿真前处理过程中，从而实现网格建模的参数化。具体方法为在流体仿真前处理软件ΙCEM CFD中，通过将参数化几何特征形成的格式化数据点转化成拟合曲线或曲面来实现建模的参数化。

在多级火箭热分离仿真中，为实现建模参数化，必须将用户输入的参数转变成ΙCEM CFD可以识别的格式化数据点。图2为数据点格式化后的参数化模型结构示意。

图2 参数化建模结构示意

2.2 网格建模参数化

网格建模的参数化是通过ΙCEM CFD软件中的命令流记录文件（即RPL脚本语言）来实现的，RPL语言由软件生成并进行修改，通过程序重新读入自动运行操作命令。在执行网格建模参数化时，可以针对某一标准的模型进行建模，并记录建模过程，将需要变化的模型尺寸设置为变量，通过修改变量值，重新运行脚本生成新的仿真模型，从而可以节约大量的仿真建模时间。对于火箭级间热分离仿真而言，箭体上面级和下面级的结构尺寸，例如长度、半径等，都可以方便地实现参数化，按照参数设计空间建立仿真模型并开展仿真分析，得到热分离仿真结果随设计参数变化的规律，进行多变量约束优化，得到更佳的级间分离设计方案。

网格的自动划分可以分为以下步骤：

a）生成原始RPL；

b）根据几何数据修改RPL并设置参数变量；

c）打开ΙCEM CFD软件运行RPL；

d）读入基于变量的格式化几何数据文件；

e）输出格式化的网格文件。

图3为应用网格生成参数化技术生成的火箭级间段参数化网格。

图3 火箭级间段参数化网格

3 动网格技术

在火箭级间热分离仿真中，需要使用动网格技术模拟火箭一、二级分离的动态过程和喷管摆动的过程。涉及流场的动网格可以分为2类：a）预定义边界运动，例如级间分离过程中的喷管运动为有控运动，需要对其运动规律进行定义；b）流动驱动运动，这类运动由流场的压力分布来确定，需要对前一步仿真结果进行积分运算。无论是哪种运动，都需要网格变化进行支撑，在使用Fluent等软件开展仿真分析时，需要根据单个或几个迭代步对网格进行更新。边界的运动方式既可以采用型函数来表示，也可以采用用户自定义函数（User-Defined Function，UDF）来实现。在仿真建模中，可以对网格的不同区域进行划分，各部分网格边界不一定连续，可以通过交界面来连接。

多级火箭级间热分离仿真的动网格基于非结构化网格区域，采用弹簧近似光滑技术和局部重划技术相结合的方法来实现网格变化。在仿真计算中，通过设置网格质量控制参数，对由于网格运动而导致质量变差的单元进行重新剖分。对于Fluent软件而言，网格质量控制参数主要为网格畸变率和网格尺寸。在仿真计算中，变形区域的网格如果大于最大约束尺寸或者大于最小约束尺寸或者畸变率过大，则对其进行标记，并在下一步仿真计算中对标记的网格进行重新剖分。图4为火箭级间段动网格的截面。由图4可以看出随着级间距离的增加，区域的动网格不断重剖分。

图4 火箭级间区域动网格

4 仿真结果分析

应用第2、3节所述的方法建模及划分网格，并与姿态控制、分离等专业耦合，根据分离时的火箭飞行高度、马赫数、大气参数等，对分离运动过程进行仿真，某时刻的仿真结果如图5所示。

图5 某时刻级间仿真结果

续图5

由图5可以看出，利用参数化建模及动网格技术的火箭热分离仿真，能够较好地模拟级间分离流场的级间段内流场参数变化、弹体在流体动力下运动轨迹变化、级间段温度和流场随时间变化等非定常变化过程。

5 结 论

参数化建模及动网格生成技术在多级火箭热分离仿真中起到关键作用，在对某火箭级间热分离过程的仿真结果分析中应用了相关技术，结论如下：

a）利用三维参数化建模及网格生成技术，通过ΙCEM CFD进行参数化几何建模及网格划分，并根据级间分离运动特点划分计算控制区域，研究网格划分策略，保证了计算控制区域的网格质量和网格数量；

b）采用多层包裹域的网格划分方法，结合动网格处理技术，可以精确计算分离过程的非定常气动力，能解决传统分离仿真中采用插值拟合工程估算带来气动力误差大的问题。

[1] 任怀宇, 张铎. 导弹级间热分离动态特性仿真研究[J]. 宇航学报, 2005, 26(4): 509-513.

[2] 许蕾，罗会信. 基于ANSYS ΙCEM CFD和CFX数值仿真技术[J]. 机械工程师, 2008, (12): 65-66.

[3] 林敬周, 王志坚, 曹程. 级间分离过程中一、二级气动特性试验研究[C].北京: 中国航空学会学术年会论文集, 2007.

[4] 王志坚, 伍贻兆, 林敬周. 火箭级间分离喷流干扰数值模拟与风洞试验研究[J]. 空气动力学学报, 2010, 28(2): 149-154.

[5] 袁先旭，杨明智，陈坚强. 火箭发动机尾罩热分离流场的数值模拟[J].空气动力学学报, 2007, 25(1): 60-63.

[6] 高立华, 张兵, 权晓波, 等. 火箭级间热分离过程耦合数值模拟[J]. 清华大学学报, 2011, 51(4): 462-466.

[7] 齐学义, 邵元忠, 李凤成, 等. ANSYS ΙCEM网格划分中有洞问题的分析[J]. 兰州理工大学学报, 2011, 37(1): 41-44.

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

胡晓军（1975-），男，高级工程师，主要研究方向为运载火箭总体设计