QJ 1409-1988 固体火箭发动机喷管温度场计算方法及计算机程序.pdf

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1、。J中华人民共和国航天工业部部标准QJ 1409-88 固体火箭发动机喷管温度场计算方法及计算机程序1988-03一18发布1988-12-01实施中华人民共和国航矢工业部翁布1 主题内容与适用范围中华人民共和国航天工业部部标准固体火箭发动机啧管温度场计算方法及计算机程序本标准规定了固体火箭发动机喷管体温度场的计算方法和计算机程序。QJ1409-8 本标准适用于结梅为多种材料所组成的内表团烧蚀不很严重的团体火箭发动机喷管的设11和结掏分析。2 符号D一一与计算部位相对应处的直径，mm D.-U民部直径，mm N铮喉部半径，mm fi , 2一一分别为径I司和轴向坐标，mnl 1七，丸，R m,

2、 Zi丸，2m一一分别为三角J0单元体三个j)点(i j m)的径I;H可11由iril坐标，mm o一一一温度，K。c、Ow、eo-分别为燃气的滞止温皮，喷11坐麦丽i国皮和切始温度，k t一一发动机工作时间，s fl.t-计算中均时间步!二，s J一一发动机工作则问燃烧室内的压班。0.，=c C叶，Pa Cp -f带止温度下11&气的定压比热容，J/k.k11。一一iW止温度下燃气的粘性系数，Pa. S P，一一燃气的普朗恃数，J一一马赫数C.一一燃气的特征速度，mmJs h一一一比热比hR一材料的径l句rR=hRCe)的热导率，飞气勺/1l1rnkkz一一材料的轴向kz=kce)的热导率

3、，w/mmk C一一喷管结构材料的比热容，J/kg k 一一喷管结构材料的密度，kg/mm3 1一一对流放热传热系数，w/mm2 k 航天工业部1988-03一18批准1988-12-01实施1 QJ1409-88 计算计算方法本标准是喷管流场、温度场、应力场二维轴对称有限元分析方法中的温度场计算部分，单元体为三角环元素，单元体巾的温度模式为线性的，对流放热系数为巳兹公式，计算中用到的内弹道性能和结梅材料性能参数是随发动机工作历程而相应变化的。1.2 温庭场计算方程3 .1 ( (日hfFPJ)ioM(去(P卜(H J ) e f _ - 2 ( F J (1) 仇-DI计算时刻的节点温度。h

4、hz= F0，、式中s. ( 2 ) litaEE111J m c c Cj(m CjCj 2 Cj n jI zicc ccr /l!tl!lil- b:irr bibj 2j ，。,/ b j 2 RKo I (h J =一丁R_Ibibj 4:乌elb,bm ( h J (HJ= r 0 +i 51 0 、os , 式中，(h J一单元体的传热刚度矩阵，Fo-单元总数。b,=Z,-Zm c;=Rm- Rj , -, 1, 111 ) d( )li-JJ 35 oss C j 111 bjbm 。5 , brn =2; - Zj Gm=Rj-Ri hj=Zm - Zi Cj=Rj-Rm !

5、ie=士(R，Zm十RiZj+RmZj+RjZl-R，Zm-RI1Zj) R二(Ri十几十Rm) .,. . ( 6 ) S,=r_ (1) , 一J丁古工7月二王干瓦了可d.-(7)。5.=( (R，-Rm)+(Z，-Zm)去dT . (8) ( 1-T) ( ( 1 -) R，+R，)O.8 ir-,unu 5,= 2 QJ1409-88 J 一丁d川C(T:)Rj+TRmJ. 。2Cp I p ,( t) , 0.8 ( D. 1.8 一一(-:L)(一一)v. ( . ) . ( 10 ) D.O.2 PrO 06 . c. 。=一一一一-一一一一-一一一一-一一一一一一- lOWE-

6、A, K l l o.6S K-10.2 2rHTMZ)+口(1+-2-1J K-l , K十1(2I飞.2( 14一一二A :I. ) 主EK+: 2K(-I). (11) E。CPJ= L; CPJ . .(山)F=1 式中，C f )一单元体的热容I1tl度矩阵。( 可j2 l i :一NJ、mCPJ=CRL:lcIN,Nj Nj :jnl 11. (i江). ! i予J削i川I, ) FJI=al十b，R十CiZ，凹j=aj斗ljRjZ，叫川，=am丰-bmf 2) .径向导热率AkRCMj MT 2n。比热容、轴向导热率、径向导热率的数值矩阵为JE，C M3) 0 M为结掬材料的编号

7、。Z，C M J为材料密度值。对每个单元进行计算前按构成立的材料和计算时刻的温度值计算出各项的热物理性能，为形成刚度和悦目J矩问今刊准晶。4 QJ1409-88 4.4 结构几何步慧和计算在个喷管结构在R-Z平面内划分成若干数的三角形(环)单元，三角形的各:j(点只与相临的三角形的顶点相交，各顶点的交点构成单元相连的节点。三角形网格划分的疏密根据温度分析的要求、材料性能、加热急剧的程度而定。喷管结构为多种热物理性能相差很大的材料所组成，网格划分的疏密要随各材料性能不同而异。象处在温度变化急剧部位的绝热材料，网恪需划密。当类似石墨材料的网格尺寸(三角形的边长)为10mm左右时，与之相接触的绝热材

8、料的网格尺寸则在O.5mm以下。对每个单元进行编号，总数为N.同一材料的单元编号要求连续，全部节点进行编号，每个节点的号码要和周围与其共单元的节点编号尽可能接近，节点号码总数为L(J三角形三个顶点的编号为i，j , m (反时针方向)。三角形单元号，材料编号和节点号，i，j , m的矩阵为JE(:，4)，其中IE(N，l)为材料编号，后三位为单元的节点编号，即IECN，2)，IE ( N, 3) , ;E C N, 4)为第N个单元的节点编号1，J, mo节点坐标R，Z值的矩降为RZ(L, 2)受燃气加热的边界上的节点数为NL边界节点缩写的矩降为IFLCNL)，其编号的值与整体中的锦江相同，喉

9、部直径D带的标识符为Do。按以上准备好的参数计算缸，aj am等几何参数组成的系数。4.5 初始温度和计算时闰步长初始温度采用试车前的保温温度或环境自然温度。，t算时间步长6t，发动机工作初期喷管壁温，特别是表面区内温度变化非常急剧，此时的乌t取小值(一般在O.1秒以下)，数秒后逐步增大，程序元步长6t的正确的选取进行自4JJ控制。4.6 刚m-o毒草荷组降生9形成用公式3的前二项和公式13或对全部单元体，用公式10和公式1自i;1兰项对受热边界的全部单元1;二进行逐个计算，将其结果送到公式3、12和14形成刚皮系数CH)+(2/6t)CPJ和公式l右边的载荷常数项矩阵。4.7 公式1的MI算

10、出的系数和常数按变带宽的方法进行存储，并按大型稀疏Q阵的解法进行消元和回lt解出对0:时间的节点温度(g J t 算出t时的节点溢度值后再把它作为起始值计算下一时刻1+61时的温度，以此步骤往复进行直止发动机工作终点，计算结果获得发动机工作期间各典型时刻的喷管壁中的温度场5 程序编制和使用说明5. 1 标识符说明LO-节点数MP一一结构材料总数MT一一位能参数C1，儿，h R按温度分段的最大段数NO-单元数1I一一温度变化最快的节点号5 QJ1409-88 5.2 程序缅制本程序用国家标准计算机语言FORTRA:N77编写。程序命名为NOZZF.FOR.程序包括10个数据文件。5.2.1 DA

11、I文件(1, ) 存放控制变量LO，NO , MP , NL, MT, NP , n. 5.2.2 DAF文件(EI3.7)存放QO，QO , TL , D. , J.l， Cl Pr, C.o 5 2.3 FIE文件(415 ) 存放材件编号、节点编号IE(NO, 4)矩阵。5.2.4 FIE，文件(314 ) 存放比热容，导热率系数按温度分段的段数。5.2.5 FIFL文件(15 ) 存放边界节点号(该节点号同结构的编号一致).5.2.6 FRZ文件(2F7.2)存放节点坐标RZ(LO, 2)矩阵。5.2.7 FTCK文件(F7.2)存放TCO，TKZ , TKR数组。5.2.8 FACK

12、文件(EI2.6)存放ACO，八KZ，AKR数组。5.2.9 FTP文件(E12.6) 存放求p，的时间恒j隔表和相应的Pi值。5.2.10 TZO文件(E12.6) 存放材料密度值。5.3 程序操作5.3. 1 机型要求本程序可在IBMPC，长城0520及其兼容机上运行。要求使用的书L-;m配备硬盘和软盘驱动器，一台132行的fJ印机。5.3.2 程序执行过程打入执行命令NOZZF飞程序开始运行，操作员可根据屏上显示进行操作。屏上显示sINPUT TITLE NAME. 输入课题名称，键入回来键飞后，屏上显示EINPUT, LO , NO , MP , NL , MT , NP, II(Yj

13、N?) 如要输入组新值，键入.Y飞，按上述顺序输入一组数值，形成DAl文件后，屏上显示sINPUT FIC, FIO, TL , DSN, MU , CP, PR, CSN (jN 1 ) 如键入.Y飞，输入一组新值，形成DAF文件后，屏上显示z6 QJ1409-88 OUTPUT CONTROL V ARTABLE (Y /N? ) 如想输出DAI，DAF文件中的支量值，可键入y飞输出后，屏上显示zINPUT, 1, IE, 2、!EJ, IFL, 4、RZ，5、TCO，6、ACO，AKZ，在日，7、TPC, PCI, 8、ZO，9、F10，10、RUr这是一组输入效据，形成数拟文件和转运行

14、的提示符。其执行情况如El飞屏t显示s!TPUT IE, 输入IF数组，形成1F文;。其余2-9执行情况相同。当键入10飞程序开始转入ii异，fi新把各文件中的数据调入机内存后，屏上显示g已UTPUTDATA (y/?) 如恕输血全部M，:i; riJ t童入.y ，输出结束后，hl. : _!r且，: COMPUTE NK，川s( Y /N? ) 如果ZZE新讨主;变带宽的宽度时，键入y飞，否则键入._N ，屏上显，向UTPUT i K, NS (飞/旦?) 若输出，铠入y, 肯出注束后，屏上显示=飞YA!TFOn TI-l E CALlULATJOi 稍等片刻后，开始1111约果，在三如=

15、TI时，川算全部约束。自计算机程序见附录A7 附录A计算机程序(补充件)QJ 1409-88 PR口司RA问TMF COM问QN/CM/FIC，FI日，DSN，问U，cp, PF号，CSN, T口嘈丁，/WL/L口，N口，俨1P.NL, MT , NP. 11 , NK, /CN1/RFJ, RFK, PJ, PK, /WI/IE飞65日，4), IE1(1日，3)，IFL(8口、，NS (5口口)，/WR/RZ (5口口，2)，TCO(1口，1口)，Tk2C1口，工口), TKR(!口，1日)，AC口(1日，1日.2)，AKZO口，1口，2).AKR飞l口，1口.2)，TPC(S日), PC

16、I(S口).20(1口), RJM (8日)，F口(8日) FI (S口口), 8F(S口口), A1 (8日口口REAL t叫UCHAR向CTER*5CH , CH1+60 WRITE忡，川剧), 1NPUT TITLE NAe恒， READ(咆， (向) CH1 口PEN(6，FILE-PRN) RITE(6，30) CH1 WRITE (6, 31) FORMAT (口，, 6X, TITLE NAME , A60) FOR问AT( .5X. _白白-) WRITE(, (A) , PR1NT SELECT II1 (0/1今), READ(巾，, (工2)111 队IRITE(略(A)

17、, 1NPUT L口，N口，问P，NL，MT，NP，工IREAD(啡，, (向)CH 1F(CH.EQ. V) THEN READ( , 176) L口，N口，MP，NL, MT，忖P，II 口PEN(23，F1LE=DA工，, 5T向TUS-NEW) WR1TE(23, 176) LO，N口，问P，NL，MT，NP，II CLOSE(23) END1F RITE(啡.(A) , INPUTI READ(*. (A) CH 1F(CH.EQ. v可丁旺NREAD(, 177) FIC，F1口，TL，DSN，MU，CP，PR，CSNOPEN(2口.FILE-口俨，, STATUS= NEW )

18、WRITE(2白，177)F1C, F1日，TL，DSN，MU，CP，PR，CSNCLOSE(20) END1F OPEN(23，F1LE-DA1，STATUS=OL口，) READ(23, 176) LO，N口.MP.NL.M丁，NP , 11 CLOSE(23) OPEN(2口，FILE.口AF，STATUS-OLD) READ(2口，177) F1C, FI口，TL，DSN，MU，CP，PR，CSNCLOSE(2口旧RITE(1 , I-l，问p)RITE (*, , (自) INPUT TKZ= READ (绵，21日)(TK2(I, J) , J霜1.问丁), 1=1.问P)RITE

19、 (f)22写nu口Q口也44郁v非TI企事口24二UQ也债问203UTL年内阿白pm倒萨市.-缸*l也2口工)*中-e【同口2也E响-NN驯E但LmwudrtMJt/申TZT口E2Kl*申5/RK、J工、丰司-、JJt)33、中和)TJILDL同54日lZFZE31/QQ+*+l自1、JF*/24口口-10-l+-1工和自13/QER-JOZIl、5-YQ54*H口33+口111I日Ll+QqlGKDN/IIl，。，z口啡H口-C卢布QCNL)飞JZF/lc口-K*llNJ14IA吩巾lukk*+lkT，JZURT4郁牛-al2QFQBll)mRZK1=i，226N22口。zZ/*FZDgD

20、2234lll222+RIllTlllTE由ll曲zIRl3RI-33KI33KZ33+2I3GEE-3RU6U日C665I/Q户。3Q/=口口222I3KI3KZZZRRRRZKZ3LCZL1、1呻E川Ell-L5N咿中mE+6=?=口333-+二Fllp2Ngl2p2-FD口C口可5Lda141AHI-ZE5?ZZZZZZ3KZKI3IZ品EE6IlFICES-。盯用伊444阳刚ZFJ444444mm2qzq2理旦旦哺咱哺4444444恫G阳阳442币4叩盯MJ引叫42rrJm盯趴Fhmm白吗陌盯mh闪川崎MFNU臼盯削F严田阳用盯阳江UtAEUER口口以Fip告盯UUmFm回肌泪旷山川F

21、hA饲哩1占13 351 352= 262 353 3541 266 355 356 357 358 359 36日z361 263 362 3631 267 364 3己5366 37 368 369 37日E371 , 372 373 3741 3751 3761 377 3781 379 3901 3611 382 383 384 385 386 387 388 3891 39口z391 392 393 394: 395 396 397 39日=399 40口=401 4口24口34口44口54口邑=斗口7:4口84口941口z14 EI口IFCONT工川UEJOl QJ 1409-88

22、 KZ=AKZ (11. J口.1)+AK2 (工1.J日，2)to FIP K1IE1 (I1. 3) 00263 J1-K1.1.-1 IF飞FIP.GT.TKR(I1.J1) THEN 3口=J1臼OTO267 ENDIF CONTINUE 3日-1KR=AKR (11. J口，l)+AKR(Il, J口.2丁嘟FIPBZ=ZO (I1) 网S=(R/(ST*事CT+B2P号=R/(S+S)同R=RY华KR同V=RY响KZPAI-RJ+ZK-RK咿2:1+81吻同+CI+2P命J=RK*ZI-F司工+ZK+BJ中R+CJ+2PAK=F司工+ZJ-RJ中ZI+BK牛R+CK+2PII=网S

23、事P向r*PAIPIJ=R8申P向工融PAJPIK.RS*PA!郁PAKPJJ-R8*PAJ申PAJPJK回R8巾P向J+PAKP啊K-R8巾P向I1+RFJ+事RFK)/ ( (1-T) *PJ+丁*PK)+中口e RETU陀NEND FUNCTION F4 (T) CO问问。IN/CN1/RFJ, RFK, PJ, PK F4= (1-T)申(1-T)+RFJ+T咏RFK)/(!-T)+PJ+T*PK)+*O.8 RETUF毫NEN口FU忡CTIONF5(T) CD问问ON/CN1/RFJ.RFK.PJ.PKF5-T伽T*(1-T)叫RFJ+T+RFK)/(l-T)+PJ+丁*PK).巾口

24、.8RETURN END SUBR口UTINELB CO问问口N/WI/IE(65口，4), IEl c1日.3) 1FL飞80)，NS(5日口) /L/L口，N口，问P.1 NL.MT.NP.I工.NKN8( 1) -1 DD 105 1=2. L口I口z口DO 1口口J-l, NO IF CIE(J, 2). EQ. 1 _ OR.工E(J, 3) . EQ. 1 .OR. IE (J, 4) . EQ. 1) THEt-l DO 11口k=2，4JO=I-IE(J.K) 1F(J日.6T. 1口)THEN I口-J口ENDIF CONTINUE END1F CONTINUE N8 (工)

25、=NS (1-1) +10+1 CONTlhlUE NKNS(L口RETURN 531 532 533: 53丰=535 536 537-538 10 539 540 2口541 : 542 543 544: 545 546 547 548 549 55口=551 552 553 554 555. 556 557 5591 559 56口=561 562 563 56呻2565= 566 567 568 5691 570 3日571 572 573: 574 2口575 4日576 577 1口578 579 58日2581 582 古巴3584 585 586 587 5口588 589 Q

26、J 1409-88 EID SUBR口UTINEL向国(N，T , X， A) DIMENSION X(N) , V(N) M-N-3 日口L口J-l, M I-J IF1自(JJ)咖B(J) 11=10+I IF (内BS(向(11).LT. lE-2口)STOP 444 B (1) -8 (1) /自(!1) 0050 L=2, N I=N-L+2 I口=ID(I)-IMI=ID (1-1) -10+1 Z护ll=I-100 5口J-问1.1问1IF飞MI.GT.1M!)G口TO5口1J=10+J B (J) B (J)-自IJ)*B(1、CONTINUE REURN ENO 17 。J1-PB-附加说明a;j-: :; :;t J-l !c天工业部七。八所提出。;:j:惊:全II-J航天工业部四院四十一所负责起18