專利名稱：基于流固耦合數(shù)值計算的壓力補(bǔ)償灌水器設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種灌水器的設(shè)計方法，特別涉及一種利用流固耦合數(shù)值計算技術(shù)實現(xiàn)壓力補(bǔ)償灌水器快速設(shè)計的方法
背景技術(shù)：
壓力補(bǔ)償灌水器能夠在一定工作壓力范圍內(nèi)保持出口流量的恒定，從而使灌溉水以穩(wěn)定、均勻的流量流出，達(dá)到科學(xué)、精量灌溉的目的。尤其對山地、丘陵等輸水管道內(nèi)水壓變化明顯的地區(qū)，壓力補(bǔ)償灌水器由于具有良好的壓力補(bǔ)償功能而得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在市場上的壓力補(bǔ)償灌水器多是通過壓力補(bǔ)償腔內(nèi)的彈性膜片在水壓下發(fā)生變形，改變流道過流斷面尺寸來起到調(diào)節(jié)流量的作用。其中彈性膜片的變形與流體運(yùn)動之間存在著較強(qiáng)的動力學(xué)耦合關(guān)系，運(yùn)用傳統(tǒng)的CFD分析方法很難得到壓力補(bǔ)償灌水器內(nèi)流體動態(tài)流動特性。
傳統(tǒng)的壓力補(bǔ)償灌水器設(shè)計，主要采用CFD計算與實驗結(jié)合的方法，彈性膜片的變形量、壓力與流量的關(guān)系不容易準(zhǔn)確地到，模型預(yù)估結(jié)果誤差較大，模型參數(shù)主要依賴實驗，通過反復(fù)實驗最終對產(chǎn)品定型，設(shè)計開發(fā)盲目性大，開發(fā)周期長，研制成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的主要在于克服傳統(tǒng)壓力補(bǔ)償灌水器設(shè)計中，模型參數(shù)主要依靠反復(fù)實驗確定，開發(fā)周期長，研制成本高的缺點，提出了一種基于流固耦合數(shù)值計算的壓力補(bǔ)償灌水器設(shè)計方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是I)首先根據(jù)灌水器設(shè)計要求，采用CAD軟件pro/e建立灌水器中流體區(qū)域參數(shù)化幾何模型及彈性膜片幾何模型；2)然后將CAD模型導(dǎo)入CAE軟件ADINA中，設(shè)定與實際工況相同的邊界條件及求解控制參數(shù)后，進(jìn)行流固耦合數(shù)值計算；3)根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整幾何模型參數(shù)，直到計算結(jié)果與設(shè)計要求偏差在設(shè)計精度要求允許范圍內(nèi)，制作出快速成型試驗件，進(jìn)行水力性能實驗；4)對比水力性能實驗結(jié)果與設(shè)計要求，若實驗結(jié)果與設(shè)計要求偏差在設(shè)計精度要求允許范圍內(nèi)，則完成設(shè)計，若不滿足則修改模型。其具體步驟如下第一步，幾何模型建立根據(jù)灌水器設(shè)計要求初步確定壓力補(bǔ)償灌水器結(jié)構(gòu)參數(shù)，即運(yùn)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(dǎo)入將流體域及彈性膜片幾何模型分別導(dǎo)入CAE計算軟件ADINA相應(yīng)的流體與結(jié)構(gòu)計算模塊，并分別設(shè)置流體、膜片的材料參數(shù)，流體參數(shù)為不可壓縮粘性流體，密度IOOOkg/m3，層流動力粘度lE-3Ns/m2，湍流模型選用K-co低雷諾數(shù)湍流模型。膜片采用2參數(shù)Mooney-Rivlin橡膠材料模型,根據(jù)橡膠材料單軸拉伸試驗確定模型參數(shù)C1' C2及泊松比U。接觸壁面模型采用在ADINA軟件中建立的surface幾何，并設(shè)為剛性接觸面；第三步，模型離散在ADINA軟件中進(jìn)行幾何離散，劃分網(wǎng)格，流體模型采用4節(jié)點四面體網(wǎng)格單元離散。固體模型采用8節(jié)點六面體網(wǎng)格單元離散，接觸壁面模型采用4節(jié)點面網(wǎng)格離散；第四步，邊界條件設(shè)置
流體域采用壓力入口 I與靜壓出口條件，出口壓力值為大氣壓力，參考值OkPa，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(jié)合的瞬態(tài)求解方法，A 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(wǎng)格重疊，保證計算收斂性。彈性膜片與補(bǔ)償腔壁面接觸面為接觸邊界，摩擦系數(shù)由實驗測得，彈性膜片-流體交界面為流固耦合邊界；第五步,流固稱合數(shù)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(jù)一相對殘差小于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(jù)——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(jù)-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(yīng)網(wǎng)格重構(gòu)網(wǎng)格發(fā)生畸變會影響計算收斂性，當(dāng)I禹合計算不能在100步內(nèi)收斂時，中止計算，進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)；第七步，重啟動分析將中止計算前的結(jié)果作為初始條件施加到重構(gòu)后的新網(wǎng)格模型上，返回第五步繼續(xù)流固耦合數(shù)值計算，直到加載的入口壓力值達(dá)到所需壓力；第八步，后處理計算完成后統(tǒng)計不同入口壓力對應(yīng)的出口流量，繪制壓力-流量關(guān)系曲線，并與設(shè)計要求進(jìn)行對比若計算結(jié)果與設(shè)計要求偏差在設(shè)計精度要求允許范圍內(nèi)，則完成計算，進(jìn)行第九步工作；否則返回第一步，修改模型參數(shù)重新計算直至滿足設(shè)計要求，并記錄已完成計算的模型參數(shù)及計算結(jié)果，為修改模型參數(shù)提供依據(jù)；第九步，快速成型件制作根據(jù)流固耦合計算所確定的壓力補(bǔ)償灌水器結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(jìn)行實驗，將實驗結(jié)果與設(shè)計要求進(jìn)行對比，根據(jù)對比結(jié)果對灌水器模型參數(shù)進(jìn)行修改，返回到第一步重新開始計算，直到實驗結(jié)果與設(shè)計要求偏差在設(shè)計精度要求允許范圍內(nèi)時，完成壓力補(bǔ)償灌水器快速定型。本發(fā)明首先根據(jù)灌水器設(shè)計要求，采用CAD軟件pro/e建立灌水器中流體區(qū)域參數(shù)化幾何模型及彈性膜片幾何模型。然后將流體與膜片CAD模型分別導(dǎo)入CAE軟件ADINA中相應(yīng)的流體與結(jié)構(gòu)計算模塊，設(shè)定邊界條件及求解控制參數(shù)后，進(jìn)行流固耦合數(shù)值計算。在數(shù)值計算過程中適時進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)以保證計算網(wǎng)格的質(zhì)量。根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整幾何模型參數(shù)，直到計算結(jié)果滿足設(shè)計精度要求后，制作出快速成型試驗件，進(jìn)行水力性能實驗。對比實驗結(jié)果與設(shè)計要求，或修改模型，或完成設(shè)計。


圖I是本發(fā)明技術(shù)路線圖；圖2是本發(fā)明的壓力補(bǔ)償灌水器示例模型的結(jié)構(gòu)及計算邊界條件示意圖；圖3是本發(fā)明壓力補(bǔ)償灌水器流體域幾何模型圖；圖4是本發(fā)明壓力補(bǔ)償灌水器流體域網(wǎng)格模型圖； 圖5是本發(fā)明器彈性膜片及接觸壁面網(wǎng)格模型圖；圖6是本發(fā)明膜片變形后網(wǎng)格圖；圖7是本發(fā)明補(bǔ)償腔區(qū)域由膜片變形造成的流體變形網(wǎng)格截面圖；圖8是本發(fā)明補(bǔ)償腔區(qū)域流體網(wǎng)格重劃分后截面具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖I，本發(fā)明的過程如下I)首先根據(jù)灌水器設(shè)計要求，采用CAD軟件pro/e建立灌水器中流體區(qū)域參數(shù)化幾何模型及彈性膜片幾何模型；2)然后將CAD模型導(dǎo)入CAE軟件ADINA中，設(shè)定與實際工況相同的邊界條件及求解控制參數(shù)后，進(jìn)行流固耦合數(shù)值計算；3)根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整幾何模型參數(shù)，直到計算結(jié)果與設(shè)計要求偏差在設(shè)計精度要求允許范圍內(nèi)，制作出快速成型試驗件，進(jìn)行水力性能實驗；4)對比水力性能實驗結(jié)果與設(shè)計要求，若實驗結(jié)果與設(shè)計要求偏差在設(shè)計精度要求允許范圍內(nèi)，則完成設(shè)計，若不滿足則修改模型。其具體過程如下第一步，幾何模型建立根據(jù)灌水器設(shè)計要求初步確定壓力補(bǔ)償灌水器結(jié)構(gòu)參數(shù)，即運(yùn)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；由于彈性膜片變形對灌水器工作性能的影響較大，變形由流體壓力造成，為與實際情況一致，流體域幾何模型建模時，在膜片圓柱面外位置，添加薄層流體幾何模型，厚度不超過膜片直徑1% ;以避免該部分流體對整個流場產(chǎn)生影響過大而與實際情況不相符。圖2所示灌水器建立流體模型如圖3所示。第二步，模型導(dǎo)入將流體域及彈性膜片幾何模型分別導(dǎo)入CAE計算軟件ADINA中相應(yīng)的流體與結(jié)構(gòu)計算模塊，并分別設(shè)置流體、膜片的材料參數(shù)，流體主要參數(shù)為不可壓縮粘性流體，密度1000kg/m3，層流動力粘度lE-3Ns/m2，湍流模型選用K- 低雷諾數(shù)湍流模型。膜片采用2參數(shù)Mooney-Ri vl in橡膠材料模型，根據(jù)橡膠材料單軸拉伸試驗確定模型參數(shù)C1、C2及泊松比U。接觸壁面模型采用在ADINA軟件中建立的surface幾何，并設(shè)為剛性接觸面。第三步，模型離散在ADINA軟件中進(jìn)行幾何離散，劃分網(wǎng)格。流體模型采用4節(jié)點四面體網(wǎng)格單元離散，網(wǎng)格如圖4所示。膜片模型采用8節(jié)點六面體網(wǎng)格單元離散，接觸壁面模型采用4節(jié)點面網(wǎng)格，膜片及接觸壁面網(wǎng)格如圖5所示；第四步，邊界條件設(shè)置流體分析米用壓力入口 I (圖2中I所不位置)與靜壓出口條件，出口壓力值為大氣壓力，參考值OkPa (圖2中4所示位置)，流體-彈性膜片交界面為流固耦合邊界(圖2中2所示位置)?？紤]橡膠材料大變形分析的非線性以及結(jié)構(gòu)場中接觸分析的未知性，采用迭代法與增量法相結(jié)合的瞬態(tài)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(wǎng)格重疊，保證計算收斂性。彈性膜片與補(bǔ)償腔壁面接觸面為接觸邊界(圖2中3所示位置)，摩擦系數(shù)由實驗測得，彈性膜片-流體交界面為流固耦合邊界(圖2中2所示位置)。第五步流固稱合數(shù)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(jù)一相對殘差小于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(jù)——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(jù)-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(yīng)網(wǎng)格重構(gòu)彈性膜片在流體壓力作用下發(fā)生變形(如圖6)，從而造成流體幾何形狀的改變而引起流體網(wǎng)格畸變(如圖7)。流體網(wǎng)格發(fā)生畸變會影響計算收斂性，當(dāng)網(wǎng)格畸變造成耦合計算不能在100步內(nèi)收斂時，中止計算,進(jìn)行流體域網(wǎng)格重構(gòu),重構(gòu)后流體網(wǎng)格如圖8所示。第七步，重啟動分析將中止計算前的結(jié)果作為初始條件施加到重構(gòu)后的新網(wǎng)格模型上，返回第五步繼續(xù)流固耦合數(shù)值計算，直到加載的入口壓力值達(dá)到所需壓力。第八步，后處理計算完成后統(tǒng)計不同入口壓力對應(yīng)的出口流量，繪制壓力-流量關(guān)系曲線，并與設(shè)計要求進(jìn)行對比若計算結(jié)果與設(shè)計要求偏差在設(shè)計精度要求允許范圍內(nèi)，則完成計算，進(jìn)行第九步工作；否則返回第一步，修改模型參數(shù)重新計算直至滿足設(shè)計要求，并記錄已完成計算的模型參數(shù)及計算結(jié)果，為修改模型參數(shù)提供依據(jù)。第九步，快速成型件制作根據(jù)流固耦合計算所確定的壓力補(bǔ)償灌水器結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(jìn)行實驗。將實驗結(jié)果與設(shè)計要求進(jìn)行對比，根據(jù)對比結(jié)果對灌水器模型參數(shù)進(jìn)行修改，返回到第一步重新開始計算，直到實驗結(jié)果與設(shè)計要求偏差在設(shè)計精度要求允許范圍內(nèi)，完成壓力補(bǔ)償灌水器快速定型。
權(quán)利要求
1.一種基于流固耦合數(shù)值計算的壓力補(bǔ)償灌水器設(shè)計方法，其特征在于 O首先根據(jù)灌水器設(shè)計要求，采用CAD軟件ρι·ο/θ建立灌水器中流體區(qū)域參數(shù)化幾何模型及彈性膜片幾何模型； 2)然后將CAD模型導(dǎo)入CAE軟件ADINA中，設(shè)定與實際工況相同的邊界條件及求解控制參數(shù)后，進(jìn)行流固耦合數(shù)值計算； 3)根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整幾何模型參數(shù)，直到計算結(jié)果與設(shè)計要求偏差在設(shè)計精度要求允許范圍內(nèi)，制作出快速成型試驗件，進(jìn)行水力性能實驗； 4)對比水力性能實驗結(jié)果與設(shè)計要求，若實驗結(jié)果與設(shè)計要求偏差在設(shè)計精度要求允許范圍內(nèi)，則完成設(shè)計，若不滿足則修改模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于流固耦合數(shù)值計算的壓力補(bǔ)償灌水器設(shè)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(jù)灌水器設(shè)計要求初步確定壓力補(bǔ)償灌水器結(jié)構(gòu)參數(shù)，即運(yùn)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(dǎo)入 將流體域及彈性膜片幾何模型分別導(dǎo)入CAE計算軟件ADINA相應(yīng)的流體與結(jié)構(gòu)計算模塊，并分別設(shè)置流體、膜片的材料參數(shù)，流體參數(shù)為不可壓縮粘性流體，密度IOOOkg/m3,層流動力粘度lE_3Ns/m2，湍流模型選用K-ω低雷諾數(shù)湍流模型；膜片采用2參數(shù)Mooney-Rivlin橡膠材料模型,根據(jù)橡膠材料單軸拉伸試驗確定模型參數(shù)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(shè)為剛性接觸面； 第三步，模型離散 在ADINA軟件中進(jìn)行幾何離散，劃分網(wǎng)格，流體模型采用4節(jié)點四面體網(wǎng)格單元離散；固體模型采用8節(jié)點六面體網(wǎng)格單元離散，接觸壁面模型采用4節(jié)點面網(wǎng)格離散； 第四步，邊界條件設(shè)置 流體域采用壓力入口 I與靜壓出口條件，出口壓力值為大氣壓力，參考值OkPa，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(jié)合的瞬態(tài)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(wǎng)格重疊，保證計算收斂性；彈性膜片與補(bǔ)償腔壁面接觸面為接觸邊界，摩擦系數(shù)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(shù)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(jù)——相對殘差小于O. 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(jù)-相對殘差小于O. 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Bathecomposite時間積分格式，完全牛頓迭代法計算，位移收斂判據(jù)——相對殘差小于O. 001，膜片與壁面間接觸分析采用constraint function算法； 第六步，自適應(yīng)網(wǎng)格重構(gòu)網(wǎng)格發(fā)生畸變會影響計算收斂性，當(dāng)I禹合計算不能在loo步內(nèi)收斂時，中止計算，進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)； 第七步，重啟動分析 將中止計算前的結(jié)果作為初始條件施加到重構(gòu)后的新網(wǎng)格模型上，返回第五步繼續(xù)流固耦合數(shù)值計算，直到加載的入口壓力值達(dá)到所需壓力； 第八步，后處理 計算完成后統(tǒng)計不同入口壓力對應(yīng)的出口流量，繪制壓力-流量關(guān)系曲線，并與設(shè)計要求進(jìn)行對比若計算結(jié)果與設(shè)計要求偏差在設(shè)計精度要求允許范圍內(nèi)，則完成計算，進(jìn)行第九步工作；否則返回第一步，修改模型參數(shù)重新計算直至滿足設(shè)計要求，并記錄已完成計算的模型參數(shù)及計算結(jié)果，為修改模型參數(shù)提供依據(jù)； 第九步，快速成型件制作 根據(jù)流固耦合計算所確定的壓力補(bǔ)償灌水器結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(jìn)行實驗，將實驗結(jié)果與設(shè)計要求進(jìn)行對比，根據(jù)對比結(jié)果對灌水器模型參數(shù)進(jìn)行修改，返回到第一步重新開始計算，直到實驗結(jié)果與設(shè)計要求偏差在設(shè)計精度要求允許范圍內(nèi)時，完成壓力補(bǔ)償灌水器快速定型。
全文摘要
一種基于流固耦合數(shù)值計算的壓力補(bǔ)償灌水器設(shè)計方法，首先根據(jù)灌水器設(shè)計要求，采用CAD軟件pro/e建立灌水器中流體區(qū)域參數(shù)化幾何模型及彈性膜片幾何模型。然后將流體與膜片CAD模型分別導(dǎo)入CAE軟件ADINA中相應(yīng)的流體與結(jié)構(gòu)計算模塊，設(shè)定邊界條件及求解控制參數(shù)后，進(jìn)行流固耦合數(shù)值計算。在數(shù)值計算過程中適時進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)以保證計算網(wǎng)格的質(zhì)量。根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整幾何模型參數(shù)，直到計算結(jié)果滿足設(shè)計精度要求后，制作出快速成型試驗件，進(jìn)行水力性能實驗。對比實驗結(jié)果與設(shè)計要求，或修改模型，或完成設(shè)計。
文檔編號G06F17/50GK102708247SQ201210142618
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者盧秉恒, 周興, 杜軍, 王永信, 羅衛(wèi)紅, 魏正英 申請人:西安交通大學(xué), 西安瑞特快速制造工程研究有限公司