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[重磅]SRMS Solid Rocket Motor Simulator 两相流内弹道软件发布贴

中文摘要

SRMS内彈道計算工具

关键词

内彈道計算工具兩相流

前言

很多爱好者都是这样的,要不然面对着全英文的软件界面一头雾水一脸迷惑,要不然用着结果不准的计算软件,到头来误差太大还是一头雾水一脸迷惑。所以,一款全新的内弹道计算软件SRMS应运而生。本软件依然采取了与之前本人发布过的计算软件相同的Microsoft Excel架构,在满足计算要求的同时还支持全平台运转,极其方便。

在软件制作过程中,特别感谢猫姐(论坛ID:@58801524)、winter(论坛ID:@winter)、啊坂(论坛ID:@御坂18650)给予我的帮助和支持!感谢Quix(论坛ID:@qxdnfsy)(应该没拼错)在软件制作过程中的技术支持和服务!


软件介绍

先给个全览图(密恐警告)

TIM截图20200225110554.png

不要被吓到。像这样的超级大界面(66*500=33000单元格)中实际输入部分只有一点点。其余部分中大部分是a n数据库和计算模块。

本软件主要使用零维内弹道中的平衡压强法进行内弹道计算(误差约0.1~0.2MPa),采用了更精确的推理系数计算方法,用精确的推理系数计算推力。采用了两相流模型和圆孔/异性孔的P/F计算,加上了可选数量的端面燃烧算法,把常用的内弹道计算囊括在内。


左上角是使用时主要输入数据的地方,因为之前有过几次更新和消bug,所以会有些乱,但是绝对不影响使用。

如下图

TIM截图20200225115116.png

数据按自身使用情况填写,这说有一部分数据是计算出来的(比方説喉部面积,葯柱质量等等),不需要填写。

要注意的一点是点火压强,如果使用的时候点火压强输入过小,软件就会出现振荡的情况,像这样:

TIM截图20200225115716.png

震荡属于正常现象,但是总会影响结果。所以请合理取值点火压强。关于点火方面的问题,请参阅固体火箭发动机点火葯量计算器的帖子。

本软件不仅支持圆孔的内弹道计算,还支持星孔,狗骨孔等异性孔的内弹道计算。计算需要借助CAD或者SW之类的绘图软件。本人觉得对新手还是有些不友好,这种计算方式也是有不完备的地方,在写软件的时候也因为这个和一些人起了争执。但是转念一想,就算是新手玩家,像CAD和SW之类的软件还是必须得有。

= =扯远了……

如果是使用异性孔的内弹道计算,你需要一个CAD或者SW软件,画出等距图,输出燃面孔的週长数据,此时会导出一个xls文件,选中所有数据,复制到本软件的"燃烧周长"一栏。然后把使用圆孔的选项打成2。这样,异性孔装葯的内弹道计算就完成了。在软件上附有例子,大家可以去看。

对于端面燃烧,需要输入葯柱直径。如果是异性孔的端面燃烧,你需要在输出週长的同时输出孔面积,注意是孔封闭图形的面积,不断增大的那种。然后仍然是复制到“步面积这一项”。

步长是厚度步长,单位是mm。

如果要顺便帮你设计最佳的拉瓦尔喷管,就在最佳压比一栏中打1,如果要采用设定的拉瓦尔喷管扩张比,请打2,并且在下面输入压比,直到旁边的扩张比一栏中出现和你的设计一样(差不多)的扩张比。



软件下载

attachment icon SRMS Beta 0.8.xls 951.50KB XLS 366次下载

 

[修改于 4 年前 - 2020/02/25 20:33:34]

8
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LS 作者
4年3个月前 IP:广西
872877

補充:實例計算

以winter的無鋁APCP和Phoenix-3KNSB發動機為例子,用計算軟件計算。

用cpropep計算燃料參數如下圖:

TIM截图20200225131014.png

取比熱比1.25,考慮到損失,特徵速度取1000m/s,其餘數據如圖所示。

圓孔内徑15mm,葯柱外徑27.2mm,有一個端面參與燃燒。

a,n的數據參照qxdnfsy的反推數據計算:

TIM截图20200225131633.png

結果如下

TIM截图20200225132219.png

最大壓強約1.9MPa(那個小峰是繪圖問題),與Quix的反推結果1.75MPa相差0.15MPa,誤差不大。

TIM截图20200225132501.png

最大推力115N,基本與結果相同。

apcp发动机推力[1].jpg

TIM截图20200225132735.png

所以本工具計算出來的内彈道結果是可靠的。

LS作者
4年3个月前 修改于 4年3个月前 IP:广西
872861

(改了一下设置,输入法问题解决了,文本已经改正)

计算原理

本软件采用零维两相内弹道中的平衡压强法进行内弹道计算,其中公式如下。

计算压强

首先,定义系数Ctp:

Screenshot_2020-02-25-23-51-51-359_cn.wps.moffice_eng.png

式中ε

为凝相质量比,ρs为凝相物质密度(就是凝相物质固体的密度,网上可以查到),dco为凝相粒子直径,等于0.52μm,r为喉部半径。

φtp,m为两相流流量系数。

定义装填参量M:

Screenshot_2020-02-25-23-52-35-652_cn.wps.moffice_eng.png


ρp为推进剂密度,c*为特征速度,Ab为燃面面积,At为喉部面积(加起来就是喷燃比了)。φ(æ)为侵蚀函数,æ为燃通比。如果不清楚取值的话可以取1。

最终的压强计算方法如图:

Screenshot_2020-02-25-23-53-11-692_cn.wps.moffice_eng.png

a n为燃速系数和压强指数。燃速单位要求国际单位制Pa/(m*s-1),而不是MPa/(mm*s-1)。具体单位换算方法也放在这里。

a(国际单位制)=a(常用单位)/1000/1000000^n。

PS:使用软件的时候只需要输入常用单位制的数据就行,会自动换算。


计算推力

推力公式

Screenshot_2020-02-25-23-57-01-151_cn.wps.moffice_eng.png

其中η为喷管效率,Cf为推力系数,Ati为喉部面积,pc为室压。

推力系数Cf定义如下

Screenshot_2020-02-25-23-56-27-751_cn.wps.moffice_eng.png

其中Ae/At为扩张比,pe为出口压力,pa为大气压力。Г为与比热比有关的单值函数,定义如下。

Screenshot_2020-02-26-00-27-47-230_cn.wps.moffice_eng.png

问题来了,推力系数中的pa/pc好求,但是pe/pc就不好取值了。

根据这一幅图

IMG_20200226_003654.jpg

我们可以知道,压强比(或者马赫数)(这里是pc/pe,使用时取倒数)变化时,喷管面积比也在变化。

当然,想要用马赫数直接求解pe也行,但是比较难。

Screenshot_2020-02-26-00-41-28-898_cn.wps.moffice_eng.png

所以为了方便好做 ,写软件的时候我用了一个很傻瓜的方法,既然压比变面积比变,那干脆自己输入压比,看着面积比,一步步逼近所要的值。最后,因为固定拉喷压比固定的特点,成功做到精确求解Cf,推力计算也没什么问题了。


LS作者
4年3个月前 修改于 4年3个月前 IP:广西
872861

(改了一下设置,输入法问题解决了,文本已经改正)

计算原理

本软件采用零维两相内弹道中的平衡压强法进行内弹道计算,其中公式如下。

计算压强

首先,定义系数Ctp:

Screenshot_2020-02-25-23-51-51-359_cn.wps.moffice_eng.png

式中ε

为凝相质量比,ρs为凝相物质密度(就是凝相物质固体的密度,网上可以查到),dco为凝相粒子直径,等于0.52μm,r为喉部半径。

φtp,m为两相流流量系数。

定义装填参量M:

Screenshot_2020-02-25-23-52-35-652_cn.wps.moffice_eng.png


ρp为推进剂密度,c*为特征速度,Ab为燃面面积,At为喉部面积(加起来就是喷燃比了)。φ(æ)为侵蚀函数,æ为燃通比。如果不清楚取值的话可以取1。

最终的压强计算方法如图:

Screenshot_2020-02-25-23-53-11-692_cn.wps.moffice_eng.png

a n为燃速系数和压强指数。燃速单位要求国际单位制Pa/(m*s-1),而不是MPa/(mm*s-1)。具体单位换算方法也放在这里。

a(国际单位制)=a(常用单位)/1000/1000000^n。

PS:使用软件的时候只需要输入常用单位制的数据就行,会自动换算。


计算推力

推力公式

Screenshot_2020-02-25-23-57-01-151_cn.wps.moffice_eng.png

其中η为喷管效率,Cf为推力系数,Ati为喉部面积,pc为室压。

推力系数Cf定义如下

Screenshot_2020-02-25-23-56-27-751_cn.wps.moffice_eng.png

其中Ae/At为扩张比,pe为出口压力,pa为大气压力。Г为与比热比有关的单值函数,定义如下。

Screenshot_2020-02-26-00-27-47-230_cn.wps.moffice_eng.png

问题来了,推力系数中的pa/pc好求,但是pe/pc就不好取值了。

根据这一幅图

IMG_20200226_003654.jpg

我们可以知道,压强比(或者马赫数)(这里是pc/pe,使用时取倒数)变化时,喷管面积比也在变化。

当然,想要用马赫数直接求解pe也行,但是比较难。

Screenshot_2020-02-26-00-41-28-898_cn.wps.moffice_eng.png

所以为了方便好做 ,写软件的时候我用了一个很傻瓜的方法,既然压比变面积比变,那干脆自己输入压比,看着面积比,一步步逼近所要的值。最后,因为固定拉喷压比固定的特点,成功做到精确求解Cf,推力计算也没什么问题了。


LS作者
4年3个月前 IP:广西
872877

補充:實例計算

以winter的無鋁APCP和Phoenix-3KNSB發動機為例子,用計算軟件計算。

用cpropep計算燃料參數如下圖:

TIM截图20200225131014.png

取比熱比1.25,考慮到損失,特徵速度取1000m/s,其餘數據如圖所示。

圓孔内徑15mm,葯柱外徑27.2mm,有一個端面參與燃燒。

a,n的數據參照qxdnfsy的反推數據計算:

TIM截图20200225131633.png

結果如下

TIM截图20200225132219.png

最大壓強約1.9MPa(那個小峰是繪圖問題),與Quix的反推結果1.75MPa相差0.15MPa,誤差不大。

TIM截图20200225132501.png

最大推力115N,基本與結果相同。

apcp发动机推力[1].jpg

TIM截图20200225132735.png

所以本工具計算出來的内彈道結果是可靠的。

154454496
4年3个月前 IP:江苏
872891

1、强烈不建议使用繁体字撰写技术文章。

2、at我干嘛

3、请介绍原理

ERIC20041219
4年3个月前 IP:浙江
872922

1:at我干嘛,你不at我也会来

2:不错,恭喜了

浪里黑条
4年3个月前 IP:北京
872924

我觉得不错,可惜没有时间深入研究了。。。

p.s.只有我一个人是读到最后才发现是繁体字的吗?

Infinite_Stalleris
4年3个月前 IP:云南
872969

貌似楼主电脑出问题了

打字都是繁体

LS作者
4年3个月前 IP:广西
872979

已经更新完毕

chemistry02
4年3个月前 IP:四川
872994

感谢LS大佬,我们初学者设计发动机又多一利器~

希望能稍微做一做检检验工作,不要出现SRM里的那种极端数据的分析严重偏离现实(比如药柱外径50mm内径49mm竟然还可以工作0.8s)之类的情况~

主体信息
主体类型:个人
所属领域:无
认证方式:手机号
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