專利名稱：一種基于流固耦合數(shù)值計(jì)算的微灌壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微灌壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種利用流固耦合數(shù)值計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)的微灌壓力調(diào)節(jié)器快速設(shè)計(jì)的方法。
背景技術(shù)：
壓力調(diào)節(jié)器是目前微灌系統(tǒng)中主要調(diào)壓設(shè)備之一，當(dāng)進(jìn)口壓力改變時(shí)，其流道自動(dòng)變大或變小，使出口壓力保持穩(wěn)定。壓力調(diào)節(jié)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)范圍寬、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，通常安裝在微灌工程支管或毛管進(jìn)口，使每條支管或毛管進(jìn)口壓力水頭相等，減少了設(shè)計(jì)時(shí)繁瑣的計(jì)算，簡(jiǎn)化了管網(wǎng)設(shè)計(jì)，提高了灌溉系統(tǒng)灌水均勻度，并且還保證了每一條滴灌帶都在設(shè)計(jì)工作壓力范圍內(nèi)工作.避免了因設(shè)計(jì)不當(dāng)或操作失誤等因素引起的壓力過(guò)大造成滴灌帶爆裂現(xiàn)象，延長(zhǎng)了滴灌工程的使用壽命，保障了系統(tǒng)安全?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的微灌壓力調(diào)節(jié)器多是通過(guò)調(diào)節(jié)腔體內(nèi)調(diào)節(jié)組件在水壓下發(fā)生軸向移動(dòng)，改變流道過(guò)流斷面尺寸來(lái)起到調(diào)節(jié)出口壓力的作用。其中調(diào)節(jié)組件的軸向移動(dòng)與流體運(yùn)動(dòng)之間存在著較強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系，運(yùn)用傳統(tǒng)的CFD分析方法很難得到微灌壓力調(diào)節(jié)器內(nèi)流體動(dòng)態(tài)流動(dòng)特性。傳統(tǒng)的微灌壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)，主要采用CFD計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，調(diào)節(jié)組件的軸向變形量、進(jìn)出口壓力的關(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(shí)體件實(shí)驗(yàn)，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)最終對(duì)產(chǎn)品定型，設(shè)計(jì)開發(fā)盲目性大，開發(fā)周期長(zhǎng)，研制成本聞。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提出一種基于流固耦合數(shù)值計(jì)算的微灌壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于流固耦合數(shù)值計(jì)算的微灌壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，首先根據(jù)微灌壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)要求，采用CAD軟件建立微灌壓力調(diào)節(jié)器中流體區(qū)域參數(shù)化幾何模型及調(diào)節(jié)組件幾何模型。然后將流體與調(diào)節(jié)組件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(jì)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(jì)算；在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中適時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)以保證計(jì)算網(wǎng)格的質(zhì)量，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整幾何模型參數(shù)，直到計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)精度要求后，制作出快速成型試驗(yàn)件，進(jìn)行調(diào)壓性能實(shí)驗(yàn)，若實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求偏差在設(shè)計(jì)精度要求允許范圍內(nèi)，則完成設(shè)計(jì)，若不滿足則修改模型。該方法克服了傳統(tǒng)微灌壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中CFD計(jì)算忽視流體與調(diào)節(jié)組件的耦合作用，模型參數(shù)主要依靠估算，進(jìn)而通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定，開發(fā)周期長(zhǎng)，研制成本高的缺點(diǎn)，顯著提高了微灌壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)精度及效率。


圖I是本發(fā)明技術(shù)路線圖2是本發(fā)明的微灌壓力調(diào)節(jié)器示例模型的結(jié)構(gòu)及計(jì)算邊界條件示意圖；圖中的標(biāo)記分別表示1、壓力進(jìn)口，2、流固耦合面，3、接觸位置。4、壓力出口。圖3是本發(fā)明微灌壓力調(diào)節(jié)器流體域幾何模型圖；圖4是本發(fā)明微灌壓力調(diào)節(jié)器流體域網(wǎng)格模型圖；圖5是本發(fā)明調(diào)節(jié)組件及接觸壁面幾何模型圖；圖6是本發(fā)明調(diào)節(jié)組件及接觸壁面網(wǎng)格模型圖；圖7是本發(fā)明調(diào)節(jié)腔區(qū)域由調(diào)節(jié)組件軸向移動(dòng)變形造成的流體變形網(wǎng)格截面圖；圖8是本發(fā)明調(diào)節(jié)腔區(qū)域流體網(wǎng)格重劃分后截面圖。 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式參見圖1，本實(shí)施例給出一種基于流固耦合數(shù)值計(jì)算的微灌壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法，其主要的設(shè)計(jì)步驟如下I)首先根據(jù)微灌壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)要求，采用CAD軟件建立微灌壓力調(diào)節(jié)器中流體區(qū)域參數(shù)化幾何模型及固體區(qū)域的調(diào)節(jié)組件幾何模型；2)然后將CAD模型導(dǎo)入CAE軟件ADINA中，設(shè)定與實(shí)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(jì)算；3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整幾何模型參數(shù)，直到計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)要求偏差在在設(shè)計(jì)精度要求的10%之內(nèi)，制作出快速成型試驗(yàn)件，進(jìn)行調(diào)壓性能實(shí)驗(yàn)；4)對(duì)比調(diào)壓性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求，若實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求偏差在設(shè)計(jì)精度要求的10%之內(nèi)，則完成設(shè)計(jì)，若不滿足則修改調(diào)節(jié)組件幾何模型。以下給出該方法的其具體設(shè)計(jì)過(guò)程(I)幾何模型建立根據(jù)微灌壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)要求初步確定微灌壓力調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)參數(shù)，即運(yùn)用CAD軟件分別建立微灌壓力調(diào)節(jié)器流體區(qū)域幾何模型及調(diào)節(jié)組件幾何模型，并確保流體區(qū)域與固體區(qū)域的坐標(biāo)一致；由于調(diào)節(jié)組件軸向運(yùn)動(dòng)變形對(duì)微灌壓力調(diào)節(jié)器工作性能的影響較大，而彈簧的預(yù)置壓力是決定起調(diào)壓力的重要因素，故在調(diào)節(jié)組件與殼體壁面的接觸部分設(shè)立接觸。微灌壓力調(diào)節(jié)器示例模型的結(jié)構(gòu)及計(jì)算邊界條件示意圖如圖2所示，微灌壓力調(diào)節(jié)器建立流體模型如圖3所示。(2)模型導(dǎo)入及離散將流體域及調(diào)節(jié)組件幾何模型分別導(dǎo)入CAE計(jì)算軟件ADINA中相應(yīng)的流體與結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊，并分別設(shè)置流體、調(diào)節(jié)組件的材料參數(shù)，流體主要參數(shù)為不可壓縮粘性流體，密度1000kg/m3，動(dòng)力粘度0.00謂^/1112，湍流模型選用1(-￡高雷諾數(shù)湍流模型。調(diào)節(jié)組件采用相關(guān)材料模型，根據(jù)所用材料確定模型參數(shù)及泊松比μ，本設(shè)計(jì)所用調(diào)節(jié)組件材料密度2000kg/m3，泊松比μ為O. 3，。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。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(diǎn)四面體網(wǎng)格單元離散，網(wǎng)格如圖4所示。調(diào)節(jié)組件模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格單元離散，接觸壁面模型采用4節(jié)點(diǎn)面網(wǎng)格，調(diào)節(jié)組件及接觸壁面網(wǎng)格如圖5所示；(3)邊界條件設(shè)置流體分析采用壓力入口(圖2中I所示位置)與出 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-調(diào)節(jié)組件交界面為流固耦合邊界(圖2中2所示位置)?？紤]結(jié)構(gòu)場(chǎng)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(shí)控制壓力加載量，以避免調(diào)節(jié)組件變形過(guò)大造成網(wǎng)格重疊，保證計(jì)算收斂性。調(diào)節(jié)組件與殼體壁面接觸面為接觸邊界(圖2中標(biāo)記3所示位置)，摩擦系數(shù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，調(diào)節(jié)組件-流體交界面為流固耦合邊界(圖2中標(biāo)記2所示位置)。(4)流固耦合數(shù)值計(jì)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(duì)殘差小于1X10—5。流體控制方程求解采用有限體積方法，采用二階
composite時(shí)間積分格式,采用simple算法求解,變量收斂判據(jù)-相對(duì)殘差小于I X 10_5。
固體分析采用隱式動(dòng)力分析方法，有限元方法離散，二階精度Bathe composite時(shí)間積分格式，完全牛頓迭代法計(jì)算，位移收斂判據(jù)——相對(duì)殘差小于I X ο-5,調(diào)節(jié)組件與壁面間接觸分析米用 constraint function 算法。(5)自適應(yīng)網(wǎng)格重構(gòu)與重啟分析調(diào)節(jié)組件在流體壓力作用下發(fā)生軸向運(yùn)動(dòng)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(huì)影響計(jì)算收斂性，當(dāng)網(wǎng)格畸變?cè)斐神詈嫌?jì)算不能在50步內(nèi)收斂時(shí)，中止計(jì)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。將中止計(jì)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(jì)算，直到加載的入口壓力值達(dá)到所需壓力。(6)后處理計(jì)算完成后統(tǒng)計(jì)不同入口壓力對(duì)應(yīng)的出口壓力，繪制進(jìn)出口壓力關(guān)系曲線，并與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比若計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)要求偏差在設(shè)計(jì)精度要求在10%之內(nèi)，則完成計(jì)算，進(jìn)行第七步工作；否則返回第一步，修改模型參數(shù)重新計(jì)算直至滿足設(shè)計(jì)要求，并記錄已完成計(jì)算的模型參數(shù)及計(jì)算結(jié)果，為修改模型參數(shù)提供依據(jù)。(7)快速成型件制作根據(jù)流固耦合計(jì)算所確定的微灌壓力調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)參數(shù)，制作其快速成型實(shí)驗(yàn)件，并完成實(shí)驗(yàn)件組裝。(8)調(diào)壓性能實(shí)驗(yàn)將制成的實(shí)驗(yàn)件接入微灌壓力調(diào)節(jié)器綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)結(jié)果對(duì)微灌壓力調(diào)節(jié)器模型參數(shù)進(jìn)行修改，返回到第一步重新計(jì)算，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求偏差在設(shè)計(jì)精度要求允許范圍內(nèi)，完成微灌壓力調(diào)節(jié)器快速定型。
權(quán)利要求
1.一種基于流固耦合數(shù)值計(jì)算的微灌壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，按下列步驟設(shè)計(jì) O首先根據(jù)微灌壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)要求，采用CAD軟件pro/e建立微灌壓力調(diào)節(jié)器中流體區(qū)域參數(shù)化幾何模型及固體區(qū)域的調(diào)節(jié)組件幾何模型； 2)然后將CAD模型導(dǎo)入CAE軟件ADINA中，設(shè)定與實(shí)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(jì)算； 3)根據(jù)流固耦合數(shù)值計(jì)算結(jié)果調(diào)整幾何模型參數(shù)，直到計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)要求偏差在設(shè)計(jì)精度要求的10%之內(nèi)，制作出快速成型試驗(yàn)件，進(jìn)行調(diào)壓性能實(shí)驗(yàn)； 4)對(duì)比調(diào)壓性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求，若實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求偏差在設(shè)計(jì)精度要求的10%之內(nèi)，則完成設(shè)計(jì)，若不滿足則修改模型。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，具體設(shè)計(jì)步驟如下 1)幾何模型建立 根據(jù)微灌壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)要求初步確定微灌壓力調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)參數(shù)，即運(yùn)用CAD軟件分別建立微灌壓力調(diào)節(jié)器流體域幾何模型及固體區(qū)域的調(diào)節(jié)組件幾何模型，并確保流體區(qū)域與固體區(qū)域的坐標(biāo)一致； 2)模型導(dǎo)入及離散 將流體域及調(diào)節(jié)組件幾何模型分別導(dǎo)入CAE計(jì)算軟件ADINA中相應(yīng)的流體與結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊，并分別設(shè)置流體、調(diào)節(jié)組件的材料參數(shù)，流體為不可壓縮粘性流體，密度1000kg/m3，動(dòng)力粘度O. OOlN · s/m2,瑞流模型選用Κ-ω高雷諾數(shù)瑞流模型；調(diào)節(jié)組件采用isotropiclinear elastic material材料模型,根據(jù)所用材料確定模型參數(shù),調(diào)節(jié)組件材料密度為2000kg/m3，泊松比μ為O. 3，確定接觸壁面模型采用接觸邊界條件，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(diǎn)四面體網(wǎng)格單元離散；固體模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格單元離散，接觸壁面模型采用4節(jié)點(diǎn)面網(wǎng)格離散； 3)邊界條件設(shè)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(duì)壓力值為O。流體-調(diào)節(jié)組件交界面為流固耦合邊界；考慮結(jié)構(gòu)場(chǎng)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(jié)合的瞬態(tài)求解方法；確定調(diào)節(jié)組件與殼體壁面接觸面的邊界條件、摩擦系數(shù)以及流固耦合邊界； 4)流固耦合數(shù)值計(jì)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(duì)殘差小于I X 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(shí)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(duì)殘差小于IX 10_5，固體分析采用隱式動(dòng)力分析方法，有限元方法離散，完全牛頓迭代法計(jì)算，位移收斂判據(jù)-相對(duì)殘差小于I X 1(Γ5,接觸分析采用constraint function算法; 5)自適應(yīng)網(wǎng)格重構(gòu)與重啟分析 調(diào)節(jié)組件在流體壓力作用下發(fā)生軸向運(yùn)動(dòng)變形，從而造成流體幾何形狀的改變而引起流體網(wǎng)格畸變；流體網(wǎng)格發(fā)生畸變會(huì)影響計(jì)算收斂性，因此需要確定合適的計(jì)算步數(shù)，本文設(shè)置為50步，若不收斂，中止計(jì)算，進(jìn)行流體域網(wǎng)格重構(gòu)；將中止計(jì)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(jì)算，直到加載的入口壓力值達(dá)到所需壓力； 6)后處理 計(jì)算完成 后統(tǒng)計(jì)不同入口壓力對(duì)應(yīng)的出口壓力，繪制進(jìn)出口壓力關(guān)系曲線，并與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比 若計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)要求偏差在設(shè)計(jì)精度要求的10%之內(nèi)，則完成計(jì)算，進(jìn)行第七步工作；否則返回第一步，修改模型參數(shù)重新計(jì)算直至滿足設(shè)計(jì)要求，并記錄已完成計(jì)算的模型參數(shù)及計(jì)算結(jié)果，為修改模型參數(shù)提供依據(jù)； 7)快速成型件制作 根據(jù)流固耦合計(jì)算所確定的微灌壓力調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)參數(shù)，制作其快速成型實(shí)驗(yàn)件，并完成實(shí)驗(yàn)件組裝； 8)調(diào)壓性能實(shí)驗(yàn) 將制成的實(shí)驗(yàn)件接入微灌壓力調(diào)節(jié)器綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比，確定是否完成微灌壓力調(diào)節(jié)器快速定型設(shè)計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于流固耦合數(shù)值計(jì)算的微灌壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法，首先根據(jù)微灌壓力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)要求，采用CAD軟件建立微灌壓力調(diào)節(jié)器中流體區(qū)域參數(shù)化幾何模型及調(diào)節(jié)組件幾何模型。然后將流體與調(diào)節(jié)組件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(jì)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(jì)算。在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中適時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)以保證計(jì)算網(wǎng)格的質(zhì)量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整幾何模型參數(shù)，直到計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)精度要求后，制作出快速成型試驗(yàn)件，進(jìn)行調(diào)壓性能實(shí)驗(yàn)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求，或修改模型，或完成設(shè)計(jì)。該方法克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的開發(fā)周期長(zhǎng)，成本高等缺點(diǎn)，提高了微灌壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)精度及效率。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102880757SQ201210370778
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者牛文全, 李連忠, 魏正英 申請(qǐng)人:西北農(nóng)林科技大學(xué)