CN107895069B - 一种基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料水翼的流固耦合数值预测方法，属于叶轮机械模拟技术领域。本发明通过建立复合材料水翼结构模型及网格划分、建立三维流域并对三维流域进行网格划分、建立计算流体力学模型，再进行初始定常流场数值计算和非定常流固耦合数值计算，然后对计算结果进行后处理，获得流场结构与复合材料水翼变形随时间的动态变化过程。本发明充分考虑了流体粘性和结构三维外形的影响，提高了数值计算结果的可信度；且本发明能够实现对复合材料水翼流固耦合现象进行高精度的数值预测。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料水翼的流固耦合数值预测方法，属于叶轮机械模拟技术领域。
背景技术
近年来，随着技术的发展，复合材料的广泛使用使得水力机械具有低振动、低噪音、轻质、高效和耐腐蚀等特点。由于复合材料质量比、刚度和阻尼等的变化，复合材料叶片流固耦合和水弹性行为的非定常性、非线性和强耦合性变得更为明显。复合材料本身的内部耦合效应，如弯扭耦合效应，使得复合材料的流固耦合响应更加复杂。因此，探究复合材料结构的流固耦合特性有着更为实际的工程价值和科学意义。
20世纪80年代以来，随着计算机设备的发展和计算技术的进步，计算流体力学的发展进一步推动了流固耦合问题的研究。同时，基于古典层合板理论的复合材料力学的发展，也促进了有限元法对复合材料特性的表达。目前，国内外工程界通过面元法和有限元法相结合(Mulcahy N L,Prusty B G,Gardiner C P.Flexible composite hydrofoils andpropeller blades[C].Engineers Australia,2010.)，可以实现复合材料螺旋桨的流固耦合数值计算，预测复合材料螺旋桨的变形及水动力性能。然而，一方面，该流固耦合计算方法将螺旋桨看作是一个面，忽略了螺旋桨的三维形状，预测的螺旋桨结构变形与实际有所差异；另一方面，该方法基于势流理论，忽略了流体介质粘性，无法准确反映这种复杂物理场环境及工况下的复合材料结构水动力性能与流激振动特性。因此，对于复合材料流固耦合问题，有必要发展和完善考虑复杂流场和复合材料三维结构特性的数值预测方法。
水翼是水力机械结构的基本单元。目前，国内外已有对弹性水翼流固耦合的实验与数值研究，但对复合材料水翼的流固耦合研究相对较少，缺乏系统完善的复合材料水翼流固耦合特性的数值预测方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有复合材料水翼的流固耦合存在考虑不够全面的问题，提出一种基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法，具体步骤如下：
步骤一：复合材料水翼结构模型建立及网格划分。
利用三维建模软件建立复合材料水翼的中面、上端面和下端面。将中面导入ANSYSWorkbench平台里的ACP模块中，实现中面网格划分。通过设置铺层材料和铺层方式，并导入上端面和下端面来约束结构的外形，最终实现用于有限元(FEM)结构求解计算的复合材料水翼结构模型建立及网格划分。
步骤二：复合材料水翼结构边界条件设定。
在有限元结构求解器中，将步骤一所得的复合材料水翼结构模型的尾部设定为固定端，其他表面则设置为流固耦合交界面，以便与计算流动动力学(CFD)求解器进行力和位移数据的传递。
步骤三：三维流域建立。
对于给定的复合材料水翼结构，沿复合材料水翼弦长方向，靠近流场入口一端为水翼前缘，靠近流场出口一端为水翼尾缘，水翼尾缘的下游区域为水翼尾迹区域。复合材料水翼尾部固定，尖端自由，尾部到尖端的直线距离称为展长。复合材料水翼中心线为各截面弦线中点的连线。三维流域为将复合材料水翼包围起来的长方体区域。该长方体区域右端(即流场入口)距水翼前缘5倍弦长，长方体区域左端(即流场出口)距水翼尾缘10倍弦长，长方体区域上端距复合材料水翼中心线0.6倍弦长，长方体区域下端距复合材料水翼中心线0.6倍弦长。长方体宽度为复合材料水翼1.5倍展长，复合材料水翼尾部与长方体后端在同一个面内。
步骤四：三维流域网格划分。
对步骤三建立的三维流域进行网格划分，对靠近复合材料水翼的流域网格进行加密，以便捕捉流动细节；
步骤五：建立计算流体力学模型。
为了能够对步骤一和步骤二中所建立的复合材料水翼结构模型网格进行结构变形求解，以及对步骤四中所建立的三维流域网格进行流场计算，需要先建立计算流体力学模型。计算流体力学模型包括流场控制方程和结构场控制方程。
流场控制方程包括质量方程(1)和动量方程(2)：
式中，
表示函数对相应的变量求偏导数，ρ为流体的密度，t为时间，ui、uj代表流体的速度分量，xi、xj代表流体的位置分量，p为流场入口处压强，μl和μt分别为流体的层流和紊流粘性系数。
结构场控制方程为：
其中，[Ms]，[Cs]，[Ks]分别为水翼结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，{X}、
分别为水翼结构的位移、速度和加速度，FCFD为通过使用计算流体动力学(CFD)求解器计算出来的非线性粘性流体表面力。
步骤六：进行初始定常流场数值计算。
在计算流体动力学(CFD)求解器中，给定三维流域入口处流体来流速度、三维流域出口平均静压、复合材料水翼表面和三维流域边界均为无滑移壁面和光滑壁面边界条件；同时，不考虑流场特性参数(如速度、压力等)随时间的变化，不考虑水翼的变形，利用计算流体动力学(CFD)求解器进行定常流场数值计算，得到三维流域的数值计算结果(包括速度和压力)。
步骤七：获得复合材料水翼结构与流场结构的动态变化过程。
以步骤六所得到三维流域的数值计算结果作为初始条件进行瞬态非定常流固耦合数值计算。流固耦合数值计算方法为：
步骤7.1，对质量方程和动量方程进行离散求解，计算出步骤二中的流固耦合交界面上的流场作用力；
步骤7.2，将步骤7.1得到的流场作用力作为流固耦合交界面上的载荷，传递到步骤二所述的有限元(FEM)结构求解器中对结构场控制方程进行离散求解，计算复合材料水翼的结构变形，得到新的流固耦合交界面位置；
步骤7.3，根据新的流固耦合交界面位置，基于计算流体动力学(CFD)求解器，对步骤四得到的三维流域网格进行更新；
步骤7.4，重复步骤7.1至步骤7.3，直至达到预定求解时间或者数值计算结果收敛，得到复合材料水翼结构与流场结构的动态变化过程，即实现了对复合材料水翼的流固耦合预测。
步骤八：对步骤七的计算结果进行后处理，获得流场结构与水翼变形随时间的动态变化过程。后处理方法为：提取流场区域内的流动参数(包括速度和压力)，其中速度分布通过矢量图表示，压力分布通过等值线图或云图表示；通过提取结构场区域各位置处的位移和速度，反映复合材料的变形特性。
步骤一所述复合材料水翼为梯形水翼；
有益效果
1、本发明的一种基于复合材料结构的流固耦合数值计算方法，充分考虑了流体粘性和结构三维外形的影响，提高了数值计算结果的可信度；
2、本发明的一种基于复合材料结构的流固耦合数值计算方法，能够实现对复合材料水翼流固耦合现象进行高精度的数值预测。
3、本发明的一种基于复合材料结构的流固耦合数值计算方法，相比现有技术，不仅可以获得大量结构变形和流场动态信息，更重要的是可以对流场作用下复合材料的流固耦合响应特性进行评估，辅助实际复合材料结构的设计，节省实验成本和时间。
附图说明
图1是本发明基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法流程图；
图2是本发明流固耦合数值计算复合材料水翼模型的简化示意图；
图3是本发明三维流域网格划分示意图；
图4是本发明所采用的流固耦合数值算法具体实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
实施例1
复合材料结构在流场作用下，会产生较大变形，从而对流场结构产生影响，进而改善该结构的水力性能。应用到水力机械中，可有效改善水力机械的效率。为了获得一种能有效提升效率的复合材料结构，用以指导实际设计加工，本实施例采用一种基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法，对不同设计参数下的复合材料水翼的流固耦合特性进行数值预测，快速获得有效提升效率的复合材料结构。其中，设计参数为复合材料部分铺层的铺层角。对应于水力机械的效率，复合材料水翼的设计目标是升阻比。
一种基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法的具体流程，如图1所示，主要由以下步骤实现：
步骤一：复合材料水翼结构模型建立及网格划分
针对给定的水翼几何，在三维建模软件Proe中，得到复合材料水翼的中面、上端面和下端面。在ANSYS Workbench的ACP模块的Engineering data子模块中，设置单层碳纤维的材料属性：E1＝80GPa，E2＝3.5GPa，泊松比为0.27，密度ρ＝1200kg/m3。然后在ANSYSWorkbench的ACP模块中的Geometry子模块中，导入水翼的中面，再在Model子模块中，设置网格尺寸为2mm，得到中面四边形网格，在ACP最后一个Setup子模块中，设置单层碳纤维厚度为0.25mm，设置铺层角度及方式为[(0°)2,(θ)5,(0°)2,(θ)4]S，其中θ即为设计参数，初始取为0°。随后设置铺层角方向定义坐标，如图2所示。导入上端面和下端面几何，约束生成的实体模型为给定水翼外形。由此得到复合材料水翼结构模型及用于有限元(FEM)结构求解的复合材料水翼网格。
步骤二：复合材料水翼结构求解边界条件设定
将ACP模块生成的复合材料水翼网格导入ANSYS结构求解器TransientStructural中，将复合材料水翼尾部设置为固定端，其他表面设置为流固耦合交界面，以与计算流体动力学求解器CFX进行力和位移的传递。
步骤三：三维流域建立。
对给定的复合材料水翼，沿水翼弦长方向，靠近流场入口一端为水翼前缘，靠近流场出口一端为水翼尾缘，水翼尾缘的下游区域为水翼尾迹区域。复合材料水翼尾部固定，尖端自由，尾部到尖端的直线距离称为展长。复合材料水翼中心线为各截面弦线中点的连线。三维流域为将复合材料水翼包围起来的长方体区域。该长方体区域右端(即流场入口)距水翼前缘5倍弦长，长方体区域左端(即流场出口)距水翼尾缘10倍弦长，长方体区域上端距复合材料水翼中心线0.6倍弦长，长方体区域下端距复合材料水翼中心线0.6倍弦长。长方体宽度为复合材料水翼1.5倍展长，水翼尾部处在长方体区域后端面内。
步骤四：三维流域网格划分。
对步骤三建立的三维流域进行网格划分，并对靠近复合材料水翼表面的网格进行加密，以便捕捉流动细节。三维流域网格如图3所示。将建立的网格文件保存输出至*.cfx5。
步骤五：建立计算流体力学模型
为了能够对步骤一和步骤二中所建立的复合材料水翼结构进行结构变形求解，以及对步骤四中所建立的三维流域网格进行流场计算，需要先建立计算流体力学模型。计算流体力学模型包括流场控制方程和结构场控制方程。
流场控制方程由质量方程和动量方程组成，分别为：
式中，
表示函数对相应的变量求偏导数，ρ为流体密度，ui、uj代表速度分量，p为压强，μl和μt分别为层流和紊流粘性系数。
采用k-ωSST湍流模型：
涡粘系数为：
其中，k为湍动能，ω为湍流频率，Pk、Pω为湍流生成项，Dk为湍流耗散项，σk为湍动能的普朗特数，σω和σω2为湍流频率的普朗特数，F1、F2为混合函数，S为剪应力张量的常数项，Cω、βω、a1为模型常数。
结构场控制方程为：
其中，[Ms]，[Cs]，[Ks]分别为水翼结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，{X}、
分别为结构的位移、速度和加速度，FCFD为通过使用CFD求解器计算出来的非线性粘性流体表面力。
步骤六：基于ANSYS CFX进行定常流场数值计算。
在计算流体动力学(CFD)求解器中，对计算参数进行初始化：三维流域入口给定流体来流速度，三维流域出口给定平均静压，复合材料水翼表面和三维流域边界均给定无滑移、光滑壁面边界条件。基于上述边界条件和初始条件，不考虑复合材料水翼的变形，利用计算流体动力学(CFD)求解器进行定常流场数值计算，得到三维流域定常流场计算结果(包括三维流域内的速度和压力分布)，结果以*.res文件保存。
步骤七：基于ANSYS CFX和Transient Structural进行非定常流固耦合数值计算，获得复合材料水翼结构与流场结构的动态变化过程。
ANSYS CFX以步骤六的定常流场数值计算结果作为初始条件进行瞬态非定常流场的数值计算，采用High Resolution和二阶向后差分格式，设定计算时间步长为Δt＝1×10-4s，总时间t＝0.1s，复合材料水翼表面边界条件设定为wall，网格位移选项中，设为System Coupling，以实现与Transient Structural之间的数据传递。而TransientStructural则进行复合材料水翼结构变形的求解，设定计算时间步长同ANSYS CFX一致，为Δt＝1×10-4s，总时间t＝0.1s。同时开启结构的大变形求解，以获得更为准确的变形值。
流固耦合计算，是通过Workbench平台下的System Coupling模块来实现的。ANSYSCFX在以步骤六所得结果为初始条件，对质量方程和动量方程进行离散，获得三维流域内的流场信息，以及作用到步骤二中的流固耦合交界面上的载荷。通过System Coupling模块，ANSYS CFX将计算得到的流固耦合交界面载荷传递到Transient Structural相对应位置处。Transient Structural以此作用载荷条件进行复合材料水翼结构变形求解，得到复合材料水翼结构变形位移。复合材料水翼结构变形传递到ANSYS CFX中，发生网格变形，获得新的流固耦合交界面位置，并再次进行流场计算，直至达到预定计算时间0.1s。具体流固耦合算法实施流程，如图4所示。
步骤八：基于ANSYS CFX-Post对计算结果进行后处理，获得该铺层角下的复合材料水翼升阻比。改变θ的取值，重复步骤一到步骤七，获得不同设计参数下的复合材料升阻比。比较不同铺层参数下的升阻力，在θ＝30°时，获得最大升阻比。将该铺层方式应用到的复合材料水泵叶片设计中，所得到的实际水泵，在试验测试中，效率也有所提升。
该实施例应用一种基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法，对不同设计参数下的复合材料水翼流固耦合现象进行了预测，从中选择出最佳设计方案，并应用到工程实践当中，实现了实际水泵效率提升。由此表明，一种基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法具有实际的应用价值。
最后需要说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一：复合材料水翼结构模型建立及网格划分；
利用三维建模软件建立复合材料水翼的中面、上端面和下端面；将中面导入ANSYSWorkbench平台里的ACP模块中，实现中面网格划分；通过设置铺层材料和铺层方式，并导入上端面和下端面来约束结构的外形，最终实现用于有限元结构求解计算的复合材料水翼结构模型建立及网格划分；
步骤二：复合材料水翼结构边界条件设定；
在有限元结构求解器中，将步骤一所得的复合材料水翼结构模型的尾部设定为固定端，其他表面则设置为流固耦合交界面，以便与计算流动动力学求解器进行力和位移数据的传递；
步骤三：三维流域建立；
对于给定的复合材料水翼结构，沿复合材料水翼弦长方向，靠近流场入口一端为水翼前缘，靠近流场出口一端为水翼尾缘，水翼尾缘的下游区域为水翼尾迹区域；复合材料水翼尾部固定，尖端自由，尾部到尖端的直线距离称为展长；复合材料水翼中心线为各截面弦线中点的连线；三维流域为将复合材料水翼包围起来的长方体区域；复合材料水翼尾部与长方体后端在同一个面内；
步骤四：三维流域网格划分；
对步骤三建立的三维流域进行网格划分，对靠近复合材料水翼的流域网格进行加密，以便捕捉流动细节；
步骤五：建立计算流体力学模型；
计算流体力学模型包括流场控制方程和结构场控制方程；
流场控制方程包括质量方程(1)和动量方程(2)：
式中，
表示函数对相应的变量求偏导数，ρ为流体的密度，t为时间，ui、uj代表流体的速度分量，xi、xj代表流体的位置分量，p为流场入口处压强，μl和μt分别为流体的层流和紊流粘性系数；
结构场控制方程为：
其中，[Ms]，[Cs]，[Ks]分别为水翼结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，{X}、
分别为水翼结构的位移、速度和加速度，FCFD为通过使用计算流体动力学求解器计算出来的非线性粘性流体表面力；
步骤六：进行初始定常流场数值计算；
在计算流体动力学求解器中，给定三维流域入口处流体来流速度、三维流域出口平均静压、复合材料水翼表面和三维流域边界均为无滑移壁面和光滑壁面边界条件；同时，利用计算流体动力学求解器进行定常流场数值计算，得到三维流域的数值结果；
步骤七：获得复合材料水翼结构与流场结构的动态变化过程；
以步骤六所得到三维流域的数值结果作为初始条件进行瞬态非定常流固耦合数值计算；具体步骤为：
步骤7.1，对质量方程和动量方程进行离散求解，计算出步骤二中的流固耦合交界面上的流场作用力；
步骤7.2，将步骤7.1得到的流场作用力作为流固耦合交界面上的载荷，传递到步骤二所述的有限元结构求解器中对结构场控制方程进行离散求解，计算复合材料水翼的结构变形，得到新的流固耦合交界面位置；
步骤7.3，根据步骤7.2得到的新的流固耦合交界面位置，基于计算流体动力学求解器，对步骤四得到的三维流域网格进行更新；
步骤7.4，重复步骤7.1至步骤7.3，直至达到预定求解时间或者数值结果收敛，得到水翼结构与流场结构的动态变化过程。
2.如权利要求1所述的一种基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法，其特征在于：对所述步骤七的计算结果进行后处理，获得流场结构与水翼变形随时间的动态变化过程；所述后处理方法为：提取流场区域内的流动参数，其中速度分布通过矢量图表示，压力分布通过等值线图或云图表示；通过提取结构场区域各位置处的位移和速度，反映复合材料的变形特性。
3.如权利要求1所述的一种基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法，其特征在于：步骤一所述复合材料水翼为梯形水翼。
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