[發明專利]一種基于流固耦合數值計算的微灌壓力調節器設計方法

有效

• 申請號: 201210370778.2
• 申請日: 2012-09-27
• 公開（公告）號: CN102880757A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 牛文全;李連忠;魏正英
• 申請（專利權）人: 西北農林科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安恒泰知識產權代理事務所 61216
• 代理人: 李鄭建

1.一種基于流固耦合數值計算的微灌壓力調節器設計方法，其特征在于，按下列步驟設計：

1）首先根據微灌壓力調節器設計要求，采用CAD軟件pro/e建立微灌壓力調節器中流體區域參數化幾何模型及固體區域的調節組件幾何模型；

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）根據流固耦合數值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的10%之內，制作出快速成型試驗件，進行調壓性能實驗；

4）對比調壓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的10%之內，則完成設計，若不滿足則修改模型。

2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，具體設計步驟如下：

1）幾何模型建立

根據微灌壓力調節器設計要求初步確定微灌壓力調節器結構參數，即運用CAD軟件分別建立微灌壓力調節器流體域幾何模型及固體區域的調節組件幾何模型，并確保流體區域與固體區域的坐標一致；

2）模型導入及離散

將流體域及調節組件幾何模型分別導入CAE計算軟件ADINA中相應的流體與結構計算模塊，并分別設置流體、調節組件的材料參數，流體為不可壓縮粘性流體，密度1000kg/m³，動力粘度0.001N·s/m²，湍流模型選用K-ω高雷諾數湍流模型；調節組件采用isotropic?linear?elastic?material材料模型，根據所用材料確定模型參數，調節組件材料密度為2000kg/m³，泊松比μ為0.3,確定接觸壁面模型采用接觸邊界條件，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；

3）邊界條件設置

流體分析采用壓力入口與出口條件，出口壓力值為大氣壓力，相對壓力值為0。流體-調節組件交界面為流固耦合邊界；考慮結構場中接觸分析的未知性，選擇求解方法，入口處壓力形式，采用迭代法與增量法相結合的瞬態求解方法；確定調節組件與殼體壁面接觸面的邊界條件、摩擦系數以及流固耦合邊界；

4）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1×10^-5，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1×10^-5，固體分析采用隱式動力分析方法，有限元方法離散，完全牛頓迭代法計算，位移收斂判據——相對殘差小于1×10^-5，接觸分析采用constraint?function算法；

5）自適應網格重構與重啟分析

調節組件在流體壓力作用下發生軸向運動變形，從而造成流體幾何形狀的改變而引起流體網格畸變；流體網格發生畸變會影響計算收斂性，因此需要確定合適的計算步數,本文設置為50步，若不收斂，中止計算，進行流體域網格重構；

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；

6）后處理

計算完成后統計不同入口壓力對應的出口壓力，繪制進出口壓力關系曲線，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的10%之內，則完成計算，進行第七步工作；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；

7）快速成型件制作

根據流固耦合計算所確定的微灌壓力調節器結構參數，制作其快速成型實驗件，并完成實驗件組裝；

8）調壓性能實驗

將制成的實驗件接入微灌壓力調節器綜合性能實驗臺，進行實驗，并將實驗結果與設計要求進行對比，確定是否完成微灌壓力調節器快速定型設計。