CN102004821B - 织物流固耦合模型的动态流场混合分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种织物流固耦合模型的动态流场混合分析方法，方法采用计算步骤为：（1）建立织物三维网格模型；（2）基于LS-DYNA的ALE法对织物进行动态分析，得到织物动态变化情况；（3）将瞬时织物外形作为流场边界条件，并且划分贴体网格；（4）基于FLUENT进行流场分析。本发明首次利用LS-DYNA的ALE法（ArbitraryLagrangian-Eulerian）获得织物动态形状作为FLUENT边界条件分析流场情况，有效解决了ALE法流场描述不精确和柔性织物大变形下动网格流场计算困难的问题。

Description

织物流固耦合模型的动态流场混合分析方法

技术领域

本发明涉及折叠织物流固耦合中流场的动态分析，首次采用LS-DYNA/FLUENT混合分析的方法可以获得织物动态变化时更为精确的流场情况。解决了ALE法流场描述不精确和柔性织物大变形下的动网格流场计算难题。

背景技术

高速流体作用下的织物运动，其流场变化剧烈，必须考虑流场结构的影响，流固耦合方法成为织物工作过程研究的重要手段。由于织物工作过程属于典型的流固耦合、强非线性时变系统，其结构分析属于几何非线性与材料非线性并存的瞬间大变形结构动力学问题，流场研究则属于柔性折叠体大变形下的湍流流动问题，耦合研究非常困难。在国内，已有不少学者对气囊的工作过程进行了研究，取得了一定的成果，但基于流场结构耦合方法对复杂折叠状态下的织物工作过程研究较少，尤其是流场的动态变化规律更是研究中的盲点。LS-DYNA有限元分析软件是一款优良的显式动态分析软件，在许多流固耦合问题上得到了较好的应用，但由于其流场模型的局限性，难以准确描述复杂的流场细节。而FLUENT软件则是优秀的流场分析软件，但是织物在高速流体作用下的运动是个随机过程，很难用函数来描述其各个节点的运动轨迹，因而采用FLUENT的动网格计算较难实现。对于柔性织物流固耦合模型的动态流场分析无论基于哪种软件，都无法克服其局限性。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷，解决织物流固耦合动态流场分析问题，提供一种物流固耦合模型的动态流场混合分析方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明织物流固耦合模型的动态流场混合分析方法，包括以下步骤：

第一步：对织物建立三维模型

使用三角形单元对织物划分网格；如果织物需要折叠，使用直接折叠法或者初始矩阵法完成织物的折叠；动态流场使用六面体网格，织物使用壳结构单元，可以穿插于动态流场网格中；

第二步：采用ALE法对织物进行充气过程计算

对织物建立FSI模型，控制方程如下：

流场控制方程由质量方程、动量方程和能量方程组成，分别为：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}=-\mathrm{\ρ}\frac{{\∂v}_i}{{\∂x}_i}-w_i\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{{\∂x}_i},$

$\frac{\∂v_i}{\∂t}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij},j}+{\mathrm{\ρb}}_i-\mathrm{\ρ}{w}_i\frac{{\∂v}_i}{{\∂x}_j},$

$\mathrm{\ρ}\frac{\∂E}{\∂t}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}{v}_{i,j}+{\mathrm{\ρb}}_i{v}_i-\mathrm{\ρ}{w}_j\frac{\∂E}{\∂x_j}$

式中v_i表示物质速度；w_i表示相对速度w_i＝v_i-u_i；u_i表示网格的速度；σ_ij表示应力张量σ_ij＝-pδ_ij+μ(v_i，j+v_j，i)：

b_i表示单位体积力；δ_ij表示Kroneckerδ-函数；

网格控制方程为：

$\frac{\∂f(X_i,t)}{\∂t}=\frac{\∂f(x_i,t)}{\∂t}+w_i\frac{\∂f(x_i,t)}{\∂t}$

X_i表示拉格朗日坐标；x_i表示欧拉坐标；w_i表示相对速度；

结构控制方程为：

$M\stackrel{\·\·}{w}+C\stackrel{\·}{w}+\mathrm{Kw}=F$

其中M、C、K分别表示单元质量、阻尼模量和弹性模量；F表示膜单元所受合力；

采用显式的松散耦合方法进行计算：在起始步将流固耦合界面的形状作为流场的边界进行流场求解，计算出流固耦合界面上的流体力，然后把求得的流体力当作耦合面上的荷载，计算气囊的结构变形，得到新的流固耦合界面位置；不断重复上述交互过程，直至达到预订求解时间或者问题收敛，得到织物外形动态变化过程；

第三步：导出数据，建立流场网格

导出第二步所述织物外形动态变化过程中的织物充气过程各单元瞬时的外形及运动速度，以及流场入口压力曲线；对各瞬时外形的气囊建立囊内流场贴体网格；囊衣流场边界为无滑移边界条件，即囊衣各单元的运动速度为物面边界条件；充气边界设定为压力入口；

第四步：基于FLUENT进行流场计算

基于FLUENT软件对流场采用大涡模拟或雷诺平均N-S方法进行计算，直至结果收敛。

本分析方法的有益效果是：考虑了流场-结构相互作用的影响，获得了更为准确的动态流场细节，结果可靠。

附图说明

图1气囊初始模型，a.气囊折叠模型，b.折叠仰视图(中心孔为进气口)；

图2充气口压力曲线；

图3流场网格划分；

图4流场压力云图，左.基于ALE法的LS-DYNA结果，右.混合分析方法结果；

图5流场速度矢量，左.基于ALE法的LS-DYNA结果，右.混合分析方法结果；；

图6气囊展开过程中囊体外形、应力、流场压力、速度，左.外形及应力变化，中.内部流场压力云图，右.内部流场速度矢量。

具体实施方式

下面以某折叠气囊充气展开过程为例进行流场混合分析

首先，在基于HYPERMESH平台下，建立了LS-DYNA流固耦合分析所需初始充气状态下的结构模型(图1)。气囊厚度1mm，充满气体时长，宽，高分别为1m，1m，0.5m，其基本参数见表1。

采用质量流量为入口边界条件，囊外为定常压力，囊内流场采用无反射边界条件。经过LS-DYNA计算获得了囊体结构动态变化情况。

导出织物充气过程各单元瞬时的外形及运动速度以及充气口压力曲线(图2)。对各瞬时外形的气囊建立囊内流场贴体网格(图3)。假设囊衣流场边界为无滑移边界条件，即囊衣各单元的运动速度为物面边界条件；充气边界设定为压力入口。

基于FLUENT软件，对流场采用标准k-ε两方程模型进行计算，直至结果收敛。

为了验证混合分析方法准确性的，图4，图5为LS-DYNA分析法和混合分析方法所得到的流场结果对比，可以发现两种分析方法所得到的流场基本规律相似，但混合分析方法的压力梯度分明，涡旋更清晰，并且能够捕捉到更细小的流场空间结构，可以更为准确的对充气过程的流场动态特性进行分析。因此采用LS-DYNA/FLUENT混合分析的方法可以获得织物动态变化时更为精细的流场情况(图6)。

表1气囊模型参数

部件	单元类型	弹性模量	泊松比	密度
					气囊	BT壳单元	5E8Pa	0.2	870kg/m3

Claims (1)

1.一种织物流固耦合模型的动态流场混合分析方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：对织物建立三维模型

使用三角形单元对织物划分网格；如果织物需要折叠，使用直接折叠法或者初始矩阵法完成织物的折叠；动态流场使用六面体网格，织物使用壳结构单元，可以穿插于动态流场网格中；

第二步：采用ALE法对织物进行充气过程计算

对织物建立FSI模型，控制方程如下：

流场控制方程由质量方程、动量方程和能量方程组成，分别为：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}=-\mathrm{\ρ}\frac{{\∂v}_i}{{\∂x}_i}-w_i\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{{\∂x}_i},$

$\frac{\∂v_i}{\∂t}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij},j}+{\mathrm{\ρb}}_i-\mathrm{\ρ}{w}_i\frac{{\∂v}_i}{{\∂x}_j},$

$\mathrm{\ρ}\frac{\∂E}{\∂t}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}{v}_{i,j}+{\mathrm{\ρb}}_i{v}_i-\mathrm{\ρ}{w}_j\frac{\∂E}{\∂x_j},$

式中v_i表示物质速度；w_i表示相对速度w_i＝v_i-u_i；u_i表示网格的速度；σ_ij表示应力张量σ_ij＝-pδ_ij+μ(v_i，j+v_j，i)；

b_i表示单位体积力；δ_ij表示Kroneckerδ-函数；

网格控制方程为

$\frac{\∂f(X_i,t)}{\∂t}=\frac{\∂f(x_i,t)}{\∂t}+w_i\frac{\∂f(x_i,t)}{\∂t}$

X_i表示拉格朗日坐标；x_i表示欧拉坐标；w_i表示相对速度；

结构控制方程为：

Mw″+Cw′+Kw＝F

其中M、C、K分别表示单元质量、阻尼模量和弹性模量；F表示膜单元所受合力；

采用显式的松散耦合方法进行计算：在起始步将流固耦合界面的形状作为流场的边界进行流场求解，计算出流固耦合界面上的流体力，然后把求得的流体力当作耦合面上的荷载，计算气囊的结构变形，得到新的流固耦合界面位置；不断重复上述交互过程，直至达到预订求解时间或者问题收敛，得到织物外形动态变化过程；

第三步：导出数据，建立流场网格

导出第二步所述织物外形动态变化过程中的织物充气过程各单元瞬时的外形及运动速度，以及流场入口压力曲线；对各瞬时外形的气囊建立囊内流场贴体网格；囊衣流场边界为无滑移边界条件，即囊衣各单元的运动速度为物面边界条件；充气边界设定为压力入口；

第四步：基于FLUENT进行流场计算

基于FLUENT软件对流场采用大涡模拟或雷诺平均N-S方法进行计算，直至结果收敛。

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