基于機器學習建模的液體火箭發動機噴管內型面優化設計
網絡安全與數據治理
李晨沛，周晨初，高玉閃，胡海峰
（西安航天動力研究所，陜西西安710100）
摘要： 噴管是液體火箭發動機產生推力的重要部件。噴管型面的結構將直接影響燃燒所產生的燃氣在噴管中的流動情況，進而對發動機的性能產生影響。采用B樣條曲線對拋物面型線進行參數化，計算樣本集的流體動力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）流場，以比沖為優化變量對噴管性能進行評估。研究表明，基于代理模型優化得到的噴管內型面結構與特征線法計算結果基本一致，比沖計算結果相當，最大誤差為0.28%。通過代理模型和網格變形方法，可實現液體火箭發動機噴管內型面優化設計，提高優化效率。
中圖分類號：V434 2文獻標識碼：ADOI: 10.19358/j.issn.2097-1788.2024.02.007
引用格式：李晨沛，周晨初，高玉閃,等. 基于機器學習建模的液體火箭發動機噴管內型面優化設計［J］.網絡安全與數據治理，2024，43（2）：42-48.
引用格式：李晨沛，周晨初，高玉閃,等. 基于機器學習建模的液體火箭發動機噴管內型面優化設計［J］.網絡安全與數據治理，2024，43（2）：42-48.
Profile design and optimization of liquid rocket engine nozzle based on machine learning
Li Chenpei, Zhou Chenchu, Gao Yushan, Hu Haifeng
(Xi′an Aerospace Propulsion Institute, Xi′an 710100, China)
Abstract： The nozzle is an important part of the liquid rocket engine to provide the thrust. The structure of the nozzle profile could directly affect the flow of combustion gas in the nozzle, and then impact on the performance of the engine. In this paper, Bspline curve is used to construct the paraboloid profile of the nozzle. Based on the Computational Fluid Dynamics (CFD) flow field of sample set, the nozzle performance is evaluated with specific impulse as the optimal variable. The results show that the optimized nozzle profile obtained by the surrogate model is consistent with that by the characteristic line method, and the maximum error is 0.28%. In this work, the internal profile design and optimization is realized via the surrogate model and mesh auto deformation method, and the optimization efficiency is improved.
Key words : internal profile; specific impulse; machine learning; mesh auto deformation method
引言
噴管是液體火箭發動機產生推力的重要部件。推進劑燃燒所產生的高溫高壓燃氣在噴管中迅速膨脹，經由噴管出口排出，產生發動機所需推力。噴管型面的結構將直接影響燃燒所產生的燃氣在噴管中的流動情況，進而對發動機的性能產生影響［1-2］。根據液體火箭發動機噴管的結構特點，可將噴管分為收縮段和擴張段兩個部分，氣流在噴管擴張段處于超聲速流動，所以一般情況下，擴張段對噴管的性能和尺寸影響最大，如果擴張段型面設計得不合理，噴管效率就會受到明顯的影響。通常設計噴管型面是基于一維分析理論進行型面優化，并利用二維或三維CFD流場分析的方法來進行修正。馬國寶等［3］利用一維等熵流的氣動力公式、二次拋物線型面的幾何關系等，優化得到了比沖最優的液體火箭發動機型面結構。方杰等［4］根據發動機計算公式，利用單級優化算法實現了某型發動機噴管的多學科設計優化。上述方法可有效實現發動機內型面設計，但一維方法不能實現對噴管性能的準確評估。
作者信息：
李晨沛，周晨初，高玉閃，胡海峰
（西安航天動力研究所，陜西西安710100）
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