专利名称：基于流固耦合数值计算的压力补偿灌水器设计方法
技术领域：
本发明涉及一种灌水器的设计方法，特别涉及一种利用流固耦合数值计算技术实现压力补偿灌水器快速设计的方法
背景技术：
压力补偿灌水器能够在一定工作压力范围内保持出口流量的恒定，从而使灌溉水以稳定、均匀的流量流出，达到科学、精量灌溉的目的。尤其对山地、丘陵等输水管道内水压变化明显的地区，压力补偿灌水器由于具有良好的压力补偿功能而得到广泛应用。现在市场上的压力补偿灌水器多是通过压力补偿腔内的弹性膜片在水压下发生变形，改变流道过流断面尺寸来起到调节流量的作用。其中弹性膜片的变形与流体运动之间存在着较强的动力学耦合关系，运用传统的CFD分析方法很难得到压力补偿灌水器内流体动态流动特性。
传统的压力补偿灌水器设计，主要采用CFD计算与实验结合的方法，弹性膜片的变形量、压力与流量的关系不容易准确地到，模型预估结果误差较大，模型参数主要依赖实验，通过反复实验最终对产品定型，设计开发盲目性大，开发周期长，研制成本高。
发明内容
本发明的目的主要在于克服传统压力补偿灌水器设计中，模型参数主要依靠反复实验确定，开发周期长，研制成本高的缺点，提出了一种基于流固耦合数值计算的压力补偿灌水器设计方法。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是I)首先根据灌水器设计要求，采用CAD软件pro/e建立灌水器中流体区域参数化几何模型及弹性膜片几何模型；2)然后将CAD模型导入CAE软件ADINA中，设定与实际工况相同的边界条件及求解控制参数后，进行流固耦合数值计算；3)根据计算结果调整几何模型参数，直到计算结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，制作出快速成型试验件，进行水力性能实验；4)对比水力性能实验结果与设计要求，若实验结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，则完成设计，若不满足则修改模型。其具体步骤如下第一步，几何模型建立根据灌水器设计要求初步确定压力补偿灌水器结构参数，即运用CAD软件pro/e分别建立灌水器流体域几何模型及弹性膜片几何模型；建模时，在流体域几何模型中，膜片圆柱面外位置，添加薄层流体几何模型，厚度不超过膜片直径1%;第二步，模型导入将流体域及弹性膜片几何模型分别导入CAE计算软件ADINA相应的流体与结构计算模块，并分别设置流体、膜片的材料参数，流体参数为不可压缩粘性流体，密度IOOOkg/m3，层流动力粘度lE-3Ns/m2，湍流模型选用K-co低雷诺数湍流模型。膜片采用2参数Mooney-Rivlin橡胶材料模型,根据橡胶材料单轴拉伸试验确定模型参数C1' C2及泊松比U。接触壁面模型采用在ADINA软件中建立的surface几何，并设为刚性接触面；第三步，模型离散在ADINA软件中进行几何离散，划分网格，流体模型采用4节点四面体网格单元离散。固体模型采用8节点六面体网格单元离散，接触壁面模型采用4节点面网格离散；第四步，边界条件设置
流体域采用压力入口 I与静压出口条件，出口压力值为大气压力，参考值OkPa，流体-弹性膜片交界面为流固耦合边界，采用迭代法与增量法相结合的瞬态求解方法，A 口处压力逐步增量加载，同时控制压力加载量，以避免膜片变形过大造成网格重叠，保证计算收敛性。弹性膜片与补偿腔壁面接触面为接触边界，摩擦系数由实验测得，弹性膜片-流体交界面为流固耦合边界；第五步,流固稱合数值计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顿迭代方法，位移与压力收敛判据一相对残差小于0. 001，流体控制方程求解采用有限体积方法，格式选用二阶空间离散，时间积分采用二阶composite积分格式,求解采用simple算法,变量收敛判据——相对残差小于0. 001,固体分析采用隐式动力分析方法，有限元方法离散，二阶精度
Bathe composite时间积分格式，完全牛顿迭代法计算,位移收敛判据-相对残差小于
0. 001,膜片与壁面间接触分析采用constraint function算法；第六步，自适应网格重构网格发生畸变会影响计算收敛性，当I禹合计算不能在100步内收敛时，中止计算，进行网格重构；第七步，重启动分析将中止计算前的结果作为初始条件施加到重构后的新网格模型上，返回第五步继续流固耦合数值计算，直到加载的入口压力值达到所需压力；第八步，后处理计算完成后统计不同入口压力对应的出口流量，绘制压力-流量关系曲线，并与设计要求进行对比若计算结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，则完成计算，进行第九步工作；否则返回第一步，修改模型参数重新计算直至满足设计要求，并记录已完成计算的模型参数及计算结果，为修改模型参数提供依据；第九步，快速成型件制作根据流固耦合计算所确定的压力补偿灌水器结构参数，制作其快速成型实验件，并完成实验件组装；第十步，水力性能实验将制成的实验件接入灌水器综合性能实验台，进行实验，将实验结果与设计要求进行对比，根据对比结果对灌水器模型参数进行修改，返回到第一步重新开始计算，直到实验结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内时，完成压力补偿灌水器快速定型。本发明首先根据灌水器设计要求，采用CAD软件pro/e建立灌水器中流体区域参数化几何模型及弹性膜片几何模型。然后将流体与膜片CAD模型分别导入CAE软件ADINA中相应的流体与结构计算模块，设定边界条件及求解控制参数后，进行流固耦合数值计算。在数值计算过程中适时进行网格重构以保证计算网格的质量。根据计算结果调整几何模型参数，直到计算结果满足设计精度要求后，制作出快速成型试验件，进行水力性能实验。对比实验结果与设计要求，或修改模型，或完成设计。
图I是本发明技术路线图；图2是本发明的压力补偿灌水器示例模型的结构及计算边界条件示意图；图3是本发明压力补偿灌水器流体域几何模型图；图4是本发明压力补偿灌水器流体域网格模型图； 图5是本发明器弹性膜片及接触壁面网格模型图；图6是本发明膜片变形后网格图；图7是本发明补偿腔区域由膜片变形造成的流体变形网格截面图；图8是本发明补偿腔区域流体网格重划分后截面具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。参见图I，本发明的过程如下I)首先根据灌水器设计要求，采用CAD软件pro/e建立灌水器中流体区域参数化几何模型及弹性膜片几何模型；2)然后将CAD模型导入CAE软件ADINA中，设定与实际工况相同的边界条件及求解控制参数后，进行流固耦合数值计算；3)根据计算结果调整几何模型参数，直到计算结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，制作出快速成型试验件，进行水力性能实验；4)对比水力性能实验结果与设计要求，若实验结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，则完成设计，若不满足则修改模型。其具体过程如下第一步，几何模型建立根据灌水器设计要求初步确定压力补偿灌水器结构参数，即运用CAD软件pro/e分别建立灌水器流体域几何模型及弹性膜片几何模型；由于弹性膜片变形对灌水器工作性能的影响较大，变形由流体压力造成，为与实际情况一致，流体域几何模型建模时，在膜片圆柱面外位置，添加薄层流体几何模型，厚度不超过膜片直径1% ;以避免该部分流体对整个流场产生影响过大而与实际情况不相符。图2所示灌水器建立流体模型如图3所示。第二步，模型导入将流体域及弹性膜片几何模型分别导入CAE计算软件ADINA中相应的流体与结构计算模块，并分别设置流体、膜片的材料参数，流体主要参数为不可压缩粘性流体，密度1000kg/m3，层流动力粘度lE-3Ns/m2，湍流模型选用K- 低雷诺数湍流模型。膜片采用2参数Mooney-Ri vl in橡胶材料模型，根据橡胶材料单轴拉伸试验确定模型参数C1、C2及泊松比U。接触壁面模型采用在ADINA软件中建立的surface几何，并设为刚性接触面。第三步，模型离散在ADINA软件中进行几何离散，划分网格。流体模型采用4节点四面体网格单元离散，网格如图4所示。膜片模型采用8节点六面体网格单元离散，接触壁面模型采用4节点面网格，膜片及接触壁面网格如图5所示；第四步，边界条件设置流体分析米用压力入口 I (图2中I所不位置)与静压出口条件，出口压力值为大气压力，参考值OkPa (图2中4所示位置)，流体-弹性膜片交界面为流固耦合边界(图2中2所示位置)。考虑橡胶材料大变形分析的非线性以及结构场中接触分析的未知性，采用迭代法与增量法相结合的瞬态求解方法，入口处压力逐步增量加载。同时控制压力加载量，以避免膜片变形过大造成网格重叠，保证计算收敛性。弹性膜片与补偿腔壁面接触面为接触边界(图2中3所示位置)，摩擦系数由实验测得，弹性膜片-流体交界面为流固耦合边界(图2中2所示位置)。第五步流固稱合数值计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顿迭代方法，位移与压力收敛判据一相对残差小于0. 001。流体控制方程求解采用有限体积方法，格式选用二阶空间离散，时间积分采用二阶composite积分格式,求解采用simple算法,变量收敛判据——相对残差小于0. 001。固体分析采用隐式动力分析方法，有限元方法离散，二阶精
度Bathe composite时间积分格式,完全牛顿迭代法计算，位移收敛判据-相对残差小于
0. 001,膜片与壁面间接触分析采用constraint function算法。第六步，自适应网格重构弹性膜片在流体压力作用下发生变形(如图6)，从而造成流体几何形状的改变而引起流体网格畸变(如图7)。流体网格发生畸变会影响计算收敛性，当网格畸变造成耦合计算不能在100步内收敛时，中止计算,进行流体域网格重构,重构后流体网格如图8所示。第七步，重启动分析将中止计算前的结果作为初始条件施加到重构后的新网格模型上，返回第五步继续流固耦合数值计算，直到加载的入口压力值达到所需压力。第八步，后处理计算完成后统计不同入口压力对应的出口流量，绘制压力-流量关系曲线，并与设计要求进行对比若计算结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，则完成计算，进行第九步工作；否则返回第一步，修改模型参数重新计算直至满足设计要求，并记录已完成计算的模型参数及计算结果，为修改模型参数提供依据。第九步，快速成型件制作根据流固耦合计算所确定的压力补偿灌水器结构参数，制作其快速成型实验件，并完成实验件组装。第十步，水力性能实验、
将制成的实验件接入灌水器综合性能实验台，进行实验。将实验结果与设计要求进行对比，根据对比结果对灌水器模型参数进行修改，返回到第一步重新开始计算，直到实验结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，完成压力补偿灌水器快速定型。
权利要求
1.一种基于流固耦合数值计算的压力补偿灌水器设计方法，其特征在于 O首先根据灌水器设计要求，采用CAD软件ρι·ο/θ建立灌水器中流体区域参数化几何模型及弹性膜片几何模型； 2)然后将CAD模型导入CAE软件ADINA中，设定与实际工况相同的边界条件及求解控制参数后，进行流固耦合数值计算； 3)根据计算结果调整几何模型参数，直到计算结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，制作出快速成型试验件，进行水力性能实验； 4)对比水力性能实验结果与设计要求，若实验结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，则完成设计，若不满足则修改模型。
2.根据权利要求I所述的基于流固耦合数值计算的压力补偿灌水器设计方法，其特征在于包括以下步骤 第一步，几何模型建立 根据灌水器设计要求初步确定压力补偿灌水器结构参数，即运用CAD软件pro/e分别建立灌水器流体域几何模型及弹性膜片几何模型； 建模时，在流体域几何模型中，膜片圆柱面外位置，添加薄层流体几何模型，厚度不超过膜片直径1% ; 第二步，模型导入 将流体域及弹性膜片几何模型分别导入CAE计算软件ADINA相应的流体与结构计算模块，并分别设置流体、膜片的材料参数，流体参数为不可压缩粘性流体，密度IOOOkg/m3,层流动力粘度lE_3Ns/m2，湍流模型选用K-ω低雷诺数湍流模型；膜片采用2参数Mooney-Rivlin橡胶材料模型,根据橡胶材料单轴拉伸试验确定模型参数C1' C2及泊松比μ ;接触壁面模型采用在ADINA软件中建立的surface几何，并设为刚性接触面； 第三步，模型离散 在ADINA软件中进行几何离散，划分网格，流体模型采用4节点四面体网格单元离散；固体模型采用8节点六面体网格单元离散，接触壁面模型采用4节点面网格离散； 第四步，边界条件设置 流体域采用压力入口 I与静压出口条件，出口压力值为大气压力，参考值OkPa，流体-弹性膜片交界面为流固耦合边界，采用迭代法与增量法相结合的瞬态求解方法，入口处压力逐步增量加载，同时控制压力加载量，以避免膜片变形过大造成网格重叠，保证计算收敛性；弹性膜片与补偿腔壁面接触面为接触边界，摩擦系数由实验测得，弹性膜片-流体交界面为流固耦合边界； 第五步，流固耦合数值计算 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顿迭代方法，位移与压力收敛判据——相对残差小于O. 001，流体控制方程求解采用有限体积方法，格式选用二阶空间离散，时间积分采用二阶composite积分格式,求解采用simple算法,变量收敛判据-相对残差小于O. 001,固体分析采用隐式动力分析方法，有限元方法离散，二阶精度Bathecomposite时间积分格式，完全牛顿迭代法计算，位移收敛判据——相对残差小于O. 001，膜片与壁面间接触分析采用constraint function算法； 第六步，自适应网格重构网格发生畸变会影响计算收敛性，当I禹合计算不能在loo步内收敛时，中止计算，进行网格重构； 第七步，重启动分析 将中止计算前的结果作为初始条件施加到重构后的新网格模型上，返回第五步继续流固耦合数值计算，直到加载的入口压力值达到所需压力； 第八步，后处理 计算完成后统计不同入口压力对应的出口流量，绘制压力-流量关系曲线，并与设计要求进行对比若计算结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，则完成计算，进行第九步工作；否则返回第一步，修改模型参数重新计算直至满足设计要求，并记录已完成计算的模型参数及计算结果，为修改模型参数提供依据； 第九步，快速成型件制作 根据流固耦合计算所确定的压力补偿灌水器结构参数，制作其快速成型实验件，并完成实验件组装； 第十步，水力性能实验 将制成的实验件接入灌水器综合性能实验台，进行实验，将实验结果与设计要求进行对比，根据对比结果对灌水器模型参数进行修改，返回到第一步重新开始计算，直到实验结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内时，完成压力补偿灌水器快速定型。
全文摘要
一种基于流固耦合数值计算的压力补偿灌水器设计方法，首先根据灌水器设计要求，采用CAD软件pro/e建立灌水器中流体区域参数化几何模型及弹性膜片几何模型。然后将流体与膜片CAD模型分别导入CAE软件ADINA中相应的流体与结构计算模块，设定边界条件及求解控制参数后，进行流固耦合数值计算。在数值计算过程中适时进行网格重构以保证计算网格的质量。根据计算结果调整几何模型参数，直到计算结果满足设计精度要求后，制作出快速成型试验件，进行水力性能实验。对比实验结果与设计要求，或修改模型，或完成设计。
文档编号G06F17/50GK102708247SQ201210142618
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月9日 优先权日2012年5月9日
发明者卢秉恒, 周兴, 杜军, 王永信, 罗卫红, 魏正英 申请人:西安交通大学, 西安瑞特快速制造工程研究有限公司