[發明專利]基于流固耦合數值計算的壓力補償灌水器設計方法

有效

• 申請號: 201210142618.2
• 申請日: 2012-05-09
• 公開（公告）號: CN102708247A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 魏正英;盧秉恒;王永信;周興;杜軍;羅衛紅
• 申請（專利權）人: 西安瑞特快速制造工程研究有限公司;西安交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

1.一種基于流固耦合數值計算的壓力補償灌水器設計方法，其特征在于：

1）首先根據灌水器設計要求，采用CAD軟件pro/e建立灌水器中流體區域參數化幾何模型及彈性膜片幾何模型；

2）然后將CAD模型導入CAE軟件ADINA中，設定與實際工況相同的邊界條件及求解控制參數后，進行流固耦合數值計算；

3）根據計算結果調整幾何模型參數，直到計算結果與設計要求偏差在設計精度要求允許范圍內，制作出快速成型試驗件，進行水力性能實驗；

4）對比水力性能實驗結果與設計要求，若實驗結果與設計要求偏差在設計精度要求允許范圍內，則完成設計，若不滿足則修改模型。

2.根據權利要求1所述的基于流固耦合數值計算的壓力補償灌水器設計方法，其特征在于包括以下步驟：

第一步，幾何模型建立

根據灌水器設計要求初步確定壓力補償灌水器結構參數，即運用CAD軟件pro/e分別建立灌水器流體域幾何模型及彈性膜片幾何模型；

建模時，在流體域幾何模型中，膜片圓柱面外位置，添加薄層流體幾何模型，厚度不超過膜片直徑1%；

第二步，模型導入

將流體域及彈性膜片幾何模型分別導入CAE計算軟件ADINA相應的流體與結構計算模塊，并分別設置流體、膜片的材料參數，流體參數為不可壓縮粘性流體，密度1000kg/m³，層流動力粘度1E-3Ns/m²，湍流模型選用K-ω低雷諾數湍流模型；膜片采用2參數Mooney-Rivlin橡膠材料模型，根據橡膠材料單軸拉伸試驗確定模型參數C₁、C₂及泊松比μ；接觸壁面模型采用在ADINA軟件中建立的surface幾何，并設為剛性接觸面；

第三步，模型離散

在ADINA軟件中進行幾何離散，劃分網格，流體模型采用4節點四面體網格單元離散；固體模型采用8節點六面體網格單元離散，接觸壁面模型采用4節點面網格離散；

第四步，邊界條件設置

流體域采用壓力入口1與靜壓出口條件，出口壓力值為大氣壓力，參考值0kPa，流體-彈性膜片交界面為流固耦合邊界，采用迭代法與增量法相結合的瞬態求解方法，入口處壓力逐步增量加載，同時控制壓力加載量，以避免膜片變形過大造成網格重疊，保證計算收斂性；彈性膜片與補償腔壁面接觸面為接觸邊界，摩擦系數由實驗測得，彈性膜片-流體交界面為流固耦合邊界；

第五步，流固耦合數值計算

流固耦合采用迭代耦合分析方法，控制方程求解采用完全牛頓迭代方法，位移與壓力收斂判據——相對殘差小于0.001，流體控制方程求解采用有限體積方法，格式選用二階空間離散，時間積分采用二階composite積分格式，求解采用simple算法，變量收斂判據——相對殘差小于0.001，固體分析采用隱式動力分析方法，有限元方法離散，二階精度Bathe?composite時間積分格式，完全牛頓迭代法計算，位移收斂判據——相對殘差小于0.001，膜片與壁面間接觸分析采用constraint?function算法；

第六步，自適應網格重構

網格發生畸變會影響計算收斂性，當耦合計算不能在100步內收斂時，中止計算，進行網格重構；

第七步，重啟動分析

將中止計算前的結果作為初始條件施加到重構后的新網格模型上，返回第五步繼續流固耦合數值計算，直到加載的入口壓力值達到所需壓力；

第八步，后處理

計算完成后統計不同入口壓力對應的出口流量，繪制壓力-流量關系曲線，并與設計要求進行對比：若計算結果與設計要求偏差在設計精度要求允許范圍內，則完成計算，進行第九步工作；否則返回第一步,修改模型參數重新計算直至滿足設計要求，并記錄已完成計算的模型參數及計算結果，為修改模型參數提供依據；

第九步，快速成型件制作

根據流固耦合計算所確定的壓力補償灌水器結構參數，制作其快速成型實驗件，并完成實驗件組裝；

第十步，水力性能實驗

將制成的實驗件接入灌水器綜合性能實驗臺，進行實驗，將實驗結果與設計要求進行對比，根據對比結果對灌水器模型參數進行修改，返回到第一步重新開始計算，直到實驗結果與設計要求偏差在設計精度要求允許范圍內時，完成壓力補償灌水器快速定型。