CN106528972B - 滤毒罐气流模拟仿真试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种滤毒罐气流模拟仿真试验方法，包括如下步骤：（1）、滤毒罐几何模型的建立；（2）、流体空间网格划分；（3）、滤毒罐流体仿真计算；（4）、流体仿真结果分析及模型修正；（5）、通过得到的滤毒罐流体模型，对某型滤毒罐进行模拟仿真，得到滤毒罐气流分布图，经分析，找到气体流经滤毒罐时的分布情况，气体流经较少的区域降低炭层厚度，而气体较集中的区域增加炭层厚度。本发明设计合理，通过计算机模拟仿真技术方法可得到实际实验无法得到的可视化分析结果，将大量实验得到的物理参数代入计算机的模拟仿真，通过计算机模拟技术得到可视化的流体分布图，为滤毒罐的结构设计提供理论依据。

Description

滤毒罐气流模拟仿真试验方法
技术领域
本发明涉及防护用滤毒罐领域，具体为一种滤毒罐气流模拟仿真试验方法。
背景技术
随着计算机技术的发展，计算机模拟仿真技术更多的应用在航空、航天、化工、汽车制造、建筑等行业，在航空工业方面，采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20%。采用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少80%。对于复杂、难以实现的系统，通过计算机模拟仿真技术，不仅可以很好解决问题，还节省了大量的人力、物力。
目前，滤毒罐的研制主要依据国标，对滤毒罐的防护性、气密性等主要性能参数进行检测，缺少对滤毒罐气流分布等物理性能的检测，而这些性能参数在滤毒罐的结构设计中参考价值不容忽视，但缺少这方面的检测设备和方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种滤毒罐气流分进行检测的方法，可通过计算机模拟仿真技术对滤毒罐进行气流场模拟，得到直观的滤毒罐气流场。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种滤毒罐气流模拟仿真试验方法，包括如下步骤：
（1）、滤毒罐几何模型的建立
首先，采用三维设计软件构建所研究的滤毒罐模型，滤毒罐模型与实体滤毒罐结构一致；再将滤毒罐模型内部的流体空间剖出，并根据实际滤毒罐的内部填充物，将滤纸层、活性炭层与滤毒罐流体空间的其余部分分割开，以便于在湍流模型的基础上建立所需的多孔介质模型；最后，构建几何模型；
（2）、流体空间网格划分
对滤毒罐内部的气流进行分析，需要对计算区域在空间上进行网格划分；采用八叉树方法生成四面体网格；
（3）、滤毒罐流体仿真计算
首先，根据气体流经滤毒罐的实际状态，在滤毒罐入口和出口处，建立湍流模型；而流体力学上滤纸和活性炭被定义为多孔介质，采用多孔介质模型进行分析，故模型选择k-ε湍流模型和达西模型；然后将流体空间性质一致的各子计算域生成合体区域，便于分析和计算，并分别建立流体域和多孔介质域，在计算域的建立过程中，设定相关参数；其中流速与实验的具体情况相关，并通过多孔介质的P-V曲线的二次方程式确定阻力系数；设定边界条件，分别设定气流入口、出口、交界处的边界类型、气体压力、质量、动量等，并完成仿真计算初始值的设定；
（4）、流体仿真结果分析及模型修正
根据流体空间仿真计算结果，创建全局压力分布云图、流速矢量图、气体流线图，经分析得出滤毒罐内部的气体分布情况；制作透明滤毒罐，并用颗粒度相近的变色硅胶代替活性炭，通入一定流量的湿润气体，观察硅胶的变色情况，进而得到气体流经滤毒罐时的分布情况；仿真结果与实际试验进行对比分析，修正流体计算模型的参数、边界条件，反复修正和仿真，使两者最大程度的接近；
（5）、通过得到的滤毒罐流体模型，对滤毒罐进行模拟仿真，得到滤毒罐气流分布图，经分析，找到气体流经滤毒罐时的分布情况，气体流经较少的区域降低炭层厚度，而气体较集中的区域增加炭层厚度，同时对滤毒罐导流板、中隔板、罐体结构的设计具有重要的参考价值。
优选的，步骤（1）中，构建几何模型时，由于滤毒罐是X、Y轴对称的结构，将模型简化为原模型的1/4结构，减少格点数、提高计算效率。
优选的，步骤（2）中，在网格划分的过程中，对模型的边缘、多孔结构区域进行网格细化，提高模型分析的可靠性。
计算机模拟仿真技术为滤毒罐的气流场分析提供了一种手段，本方法通过大量数据试验和模拟仿真建立一个模拟结果和实验值近似的滤毒罐流场模型。通过该计算机模拟仿真技术方法，可以得到空气流体在通过滤毒罐时的分布情况，可作为滤毒罐结构改良设计的依据。通过分析测试得到的滤毒罐气流分布，可作为滤毒罐结构设计的是否合理的重要依据之一，滤毒罐结构设计的合理性对滤毒罐的防护时间、装药量具有重要指导意义，并且滤毒罐的结构直接关系到滤毒罐对防毒面具的视野参数的大小的影响，在异型滤毒罐设计中具有重要意义。通过采用这种新的设计手段，达到缩短面具的研制周期，节省大量的人力、物力，使面具的性能更加可靠。
本发明设计合理，通过计算机模拟仿真技术方法可得到实际实验无法得到的可视化分析结果，将大量实验得到的物理参数代入计算机的模拟仿真，通过计算机模拟技术得到可视化的流体分布图，为滤毒罐的结构设计提供理论依据。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种滤毒罐气流模拟仿真试验方法，包括如下步骤：
1、滤毒罐几何模型的建立
首先，借助先进的三维设计软件构建所研究的滤毒罐模型，模型需要与实体滤毒罐结构一致；再将滤毒罐模型内部的流体空间剖出，并根据实际滤毒罐的内部填充物，将滤纸层、活性炭层与滤毒罐流体空间的其余部分分割开，以便于在湍流模型的基础上建立所需的多孔介质模型；最后考虑到滤毒罐是X、Y轴对称的结构，在构建几何模型时，需将模型简化为原模型的1/4结构，这样可以减少格点数、提高计算效率。
2、流体空间网格划分
要对滤毒罐内部的气流进行分析，需要对计算区域在空间上进行网格划分，网格生成约占整个项目周期的80%~95%，生成一套高质量的网格将会显著提高计算精度和收敛速度，由于非结构化网格对几何模型的适应性好，本发明采用八叉树方法生成四面体网格，对于复杂模型，不需要花费大量时间用于几何修补和壳网格的生成；在网格划分的过程中，需要对模型的边缘、多孔结构区域进行网格细化，提高模型分析的可靠性。
3、滤毒罐流体仿真计算
模型建立的合理性取决于模型的选择以及模型参数的设定，通过对滤毒罐的结构分析，可知气体通过滤毒罐的过程中存在两个状态，气体在流经出入口和较大空间时，会形成一个三维、非稳态且具有较大规模的复杂湍流过程。
首先，根据气体流经滤毒罐的实际状态，在滤毒罐入口和出口处，建立一个复杂的湍流模型，而流体力学上滤纸和活性炭被定义为多孔介质，采用多孔介质模型进行分析，故本发明的模型选择k-ε湍流模型和达西模型；然后将流体空间性质一致的各子计算域生成合体区域，便于分析和计算，并分别建立流体域和多孔介质域，在计算域的建立过程中，设定相关参数（气流的流速、流经多孔介质的阻力系数等），其中流速与实验的具体情况相关，并通过多孔介质的P-V曲线的二次方程式确定阻力系数；设定边界条件，分别设定气流入口、出口、交界处的边界类型、气体压力、质量、动量等，并完成仿真计算初始值的设定。
4、流体仿真结果分析及模型修正
根据流体空间仿真计算结果，创建全局压力分布云图、流速矢量图、气体流线图等，经分析得出滤毒罐内部的气体分布情况；制作透明滤毒罐，并用颗粒度相近的变色硅胶代替活性炭，通入一定流量的湿润气体，观察硅胶的变色情况，进而得到气体流经滤毒罐时的分布情况；仿真结果与实际试验进行对比分析，修正流体计算模型的参数、边界条件，反复修正和仿真，使两者最大程度的接近。
5、通过得到的滤毒罐流体模型，对滤毒罐进行模拟仿真，得到滤毒罐气流分布图，经分析，可找到气体流经滤毒罐时的分布情况，气体流经较少的区域可降低炭层厚度，而气体较集中的区域适当增加碳层厚度，同时对滤毒罐导流板、中隔板、罐体结构的设计具有重要的参考价值。
本计算机模拟仿真技术方法可得到实际实验无法得到的可视化分析结果，将大量实验得到的物理参数代入计算机的模拟仿真，通过计算机模拟技术得到可视化的流体分布图，为滤毒罐的结构设计提供理论依据。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (3)

1.一种滤毒罐气流模拟仿真试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、滤毒罐几何模型的建立
首先，采用三维设计软件构建所研究的滤毒罐模型，滤毒罐模型与实体滤毒罐结构一致；再将滤毒罐模型内部的流体空间剖出，并根据实体滤毒罐的内部填充物，将滤纸层、活性炭层与滤毒罐流体空间的其余部分分割开，以便于在湍流模型的基础上建立所需的多孔介质模型；最后构建滤毒罐几何模型；
（2）、流体空间网格划分
对滤毒罐内部的气流进行分析，需要对计算区域在空间上进行网格划分；采用八叉树方法生成四面体网格；
（3）、滤毒罐流体仿真计算
首先，根据气体流经滤毒罐的实际状态，在滤毒罐入口和出口处，建立湍流模型；而流体力学上滤纸和活性炭被定义为多孔介质，采用多孔介质模型进行分析，故模型选择k-ε湍流模型和达西模型；然后将流体空间性质一致的各子计算域生成合体区域，便于分析和计算，并分别建立流体域和多孔介质域，在计算域的建立过程中，设定相关参数；其中流速与实验的具体情况相关，并通过多孔介质的P-V曲线的二次方程式确定阻力系数；设定边界条件，分别设定交界处的边界类型、气流入口、气流出口、气体压力、质量、动量，并完成仿真计算初始值的设定；
（4）、流体仿真结果分析及模型修正
根据流体空间仿真计算结果，创建全局压力分布云图、流速矢量图、气体流线图，经分析得出滤毒罐内部的气体分布情况；制作透明滤毒罐，并用颗粒度相近的变色硅胶代替活性炭，通入湿润气体，观察硅胶的变色情况，进而得到气体流经滤毒罐时的分布情况；仿真结果与实际试验进行对比分析，修正多孔介质模型的参数、边界条件，反复修正和仿真，最终得到滤毒罐流体模型，使两者最大程度的接近；
（5）、通过得到的滤毒罐流体模型，对滤毒罐进行模拟仿真，得到滤毒罐气流分布图，经分析，找到气体流经滤毒罐时的分布情况，气体流经较少的区域降低炭层厚度，而气体较集中的区域增加炭层厚度。
2.根据权利要求1所述的滤毒罐气流模拟仿真试验方法，其特征在于：步骤（1）中，构建滤毒罐几何模型时，由于滤毒罐是X、Y轴对称的结构，将模型简化为滤毒罐模型的1/4结构。
3.根据权利要求1或2所述的滤毒罐气流模拟仿真试验方法，其特征在于：步骤（2）中，在网格划分的过程中，对滤毒罐几何模型的边缘、多孔结构区域进行网格细化，提高滤毒罐几何模型分析的可靠性。
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