CN112149249A - 一种仿生枪虾空化射流装置的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生枪虾空化射流装置的设计方法，属于射流加工领域；包括如下步骤：根据逆向构建的仿生枪虾机构的初始模型，建立流场域，对所得的流场域采用内外流域的混合模式进行网格划分；对划分好的混合网格的仿生枪虾机构初始模型进行数值模拟仿真，分析仿生枪虾机构周围流场；通过仿生枪虾机构模型的有限元仿真，利用空化数建立空化射流性能判别方法，对仿生枪虾机构模型的空化射流效果进行对比，优化仿生枪虾机构的组成单元动螯和定螯结构，获得仿生枪虾的空化射流装置优化模型。本发明能够解决产生高强度、高聚焦空化效应装置的设计问题。
Description
技术领域
本发明涉及空化射流领域，尤其涉及一种仿生枪虾空化射流装置的优化方法。
背景技术
生活在热带海洋的枪虾，它在遇到危险或者发现猎物时，可以通过快速地闭合螯部，产生空化气泡将猎物瞬间击晕或击毙。相关的文献数据显示，当枪虾瞬间闭合大螯发动攻击时，可以产生190-218分贝的声响。通过仔细观察可以发现，枪虾的大螯是固定不动的，上面有一个空穴，外侧可以移动，上面有一个柱状凸起，能够恰好嵌入内侧的空穴。当枪虾闭合大螯时，上面的凸起瞬间插入空穴，挤出的水柱以约32m/s的速度向前射出。由伯努利原理可知，高速的水流会引起流体周围的压强减小，当周围的压强减少到当地水温的饱和蒸气压以下时，溶解在水中的气核就会生长为气泡，流体本身也会发生剧烈的沸腾现象产生气泡。这些气泡生长到一定程度之后，又在周围水体的压力下瞬间(约600μs)爆裂，产生空穴现象，发出巨大的爆炸声，同时伴随产生4500～4700℃的高温，十分接近太阳的表面温度(约4800℃)。
目前，国内外学者对枪虾这种攻击现象进行了研究，发现了枪虾攻击过程中的空化射流气泡现象。前期大多通过高速摄影和水听器对活体枪虾进行观察测量，随后，相关学者通过对枪虾夹螯CT扫描获得枪虾3D模型，通过仿生试验研究枪虾空化射流现象，由于枪虾仿生装置的外形过于复杂，就造成了结构对空化影响的不确定性大大增加。而且对于“蛙人”等攻击性武器亦不能达到量产的地步。怎样简化模型并且找出枪虾螯部中特殊结构对空化淹没射流的影响，是学者们需要去研究的热门问题。专利CN110495891A设计的是一种基于图像处理的枪虾夹螯角速度测试系统，该装置通过图像捕捉的方式了枪虾闭合时角速度难以测量的问题。专利CN 110514398 A设计的是一种基于仿生设计的枪虾空化射流试验系统及其调试方法，采用的是3D打印的仿生模型，结合高速摄影和高能输出模块实现了仿生枪虾空化射流的试验目的，但是对其模型直接由CT扫描模型3D打印得出，外形过于复杂，不易投入到实际量产中来。专利CN207743901U设计了一种仿枪虾式攻击性武器，采用压电陶瓷组件和铰链放大机构来实现攻击目的，但是并没有考虑特殊形状对枪虾空化射流的影响。目前所有针对枪虾空化射流装置的设计都集中在实验处理和实际应用领域，对背后机理的外形设计涉及不多。
发明内容
发明目的：本发明的目的是是提供一种仿生枪虾的空化射流装置的设计方法，以解决产生高强度，高聚焦空化效应装置的设计问题。
技术方案：一种仿生枪虾空化射流装置的设计方法，包括如下步骤：
(1)逆向构建仿生枪虾机构的初始模型；
(2)根据所述初始模型建立流场域，所述流场域的流场方向与实际流动路径一致，放置在流场域中的仿生枪虾机构的初始模型与水平逆时针方向呈0-90度偏转角；
(3)对所述流场域进行网格划分，网格划分采取内外流域的混合网格相结合的模式；所述内流域为枪虾螯部的内部空穴部分以及周围的外部流域，所述外流域为内流域以外的部分；
(4)基于所述混合网格，对仿生枪虾机构的初始模型进行数值模拟仿真，并分析仿生枪虾机构周围流场；
(5)通过仿生枪虾机构的初始模型的有限元仿真，建立空化射流性能判别方法，对仿生枪虾机构模型的空化射流效果进行对比；
(6)根据步骤(5)中的仿真分析结果，优化仿生枪虾机构组成单元的结构，获得仿生枪虾空化射流装置的优化模型。
进一步的，步骤(1)具体包括如下内容：
(1.1)根据枪虾夹螯实体的图片以及CT扫描的结果，分析枪虾夹螯结构以及外部的流域部分，所述枪虾夹螯结构包括动螯、柱塞、定螯和凹槽四个部分；
(1.2)构建枪虾夹螯结构的初始模型，并在周围建立夹螯机构外部周围的流域部分。
进一步的，步骤(3)中，所述内部网格采用非结构形式的四面体网格，外流域采用结构化的六面体网格，确定膨胀率，对内外网格进行过渡化处理。
进一步的，步骤(4)具体包括如下内容：
(4.1)采用瞬态多相流模型对初始模型进行动网格的动态仿真，将流域的入口设为速度入口边界条件，设置初始的流入速度，出口设为压力出口边界条件，设置相应压力，侧边的流场边界设为对称，其他表面设为无滑移边界条件；优选的，所述瞬态多相流模型选用Mixture模型，并将湍流模型设为k-epsilon，选用标准壁面函数配合k-epsilon湍流模型进行计算；
(4.2)根据枪虾夹螯机构闭合时的运动机制，综合考虑夹螯闭合时的运动参数，在动网格运动的过程中不断更新网格；
(4.3)对全域进行初始化之后，对压力场和速度场进行迭代求解；优选的，采用PISO算法对压力场和速度场进行迭代求解，对压力方程采用Presto格式，湍动能和体积力选项采用二阶迎风格式进行离散；
(4.4)设置时间步和步长，从入口处初始化，开始计算。
进一步的，步骤(5)具体包括以下内容：
(5.1)分析得到仿生枪虾机构压力、速度、雷诺数和气态体积分数云图的变化规律；
(5.2)利用空化数来佐证仿生枪虾机构产生空化射流时的空化状态和空化剧烈程度，作为空化射流的评判标准；所述空化数的计算公式如下：
式中，p∞和u∞分别为未扰动时流体的静压和速度，ρ和pv分别为水流的密度和饱和蒸气压。
进一步的，步骤(6)具体包括如下内容：
(6.1)所述仿生枪虾机构组成单元的结构包括：动螯、柱塞、定螯和凹槽；
(6.2)所述优化包括：通过修改动螯和柱塞的几何参数，调整动螯及柱塞的形状，所述动螯的几何参数包括厚度和弯曲弧度，柱塞的几何参数包括横截面积和长度；通过修改定螯的侧壁高度，调整定螯的形状；通过改变凹槽的深度和弧度，调整凹槽的形状；
(6.3)利用控制变量法，生成多组仿生枪虾机构模型，并按照步骤2)—5)的过程进行仿真试验，分析射流的分布及射流的物理参数，通过每组模型的空化数评价产生空化的效果，并根据云图判断聚焦性能，以所述空化和聚焦性能为指标，调整动螯的厚度尺寸、柱塞的横截面积以及定螯的侧壁高度，并改变凹槽的深度和弧度，优化仿生枪虾机构模型，获得仿生枪虾空化射流装置的优化模型。
本发明的有益效果是：1.针对枪虾产生淹没空化射流的结构影响进行了仿真研究并得出了较为可行的优化方法，有利于揭示背后空化产生的原理；2.对仿生结构的简化提供了思路，相比复杂结构的3D打印模型，更易于量产和使用。
说明书附图
图1是本发明实施例中从CT扫描中抽象简化而建立的枪虾结构示意图；
图2是本发明实施例的设计思路示意图；
图3是本发明实施例中针对聚焦和耗散对模型的优化过程；其中，图3(a)为基于生物模型提取特征的原始模型，图3(b)为增大了凹槽的体积，并增高了侧壁尺寸的优化模型，图3(c)为增加了动螯的横截面积及厚度，且适当在凹槽底部增加凸起的优化模型；
图4是本发明实施例中针对动螯和柱塞优化结构的前后对比；
图5是图3(c)的立体结构示意图；
图6是本发明实施例中优化过程中主要对照组的物理参数对照变化折线图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
步骤1)：分析枪虾动螯、定螯结构以及外部的流域部分，逆向构建枪虾夹螯结构的初始模型；具体过程为：
该设计方法主要包括枪虾夹螯结构大体形状的抽象提取以及其特殊形状边界的设计。基于仿生技术的枪虾的夹螯结构主要包括四个部分：动螯、柱塞、定螯以及凹槽。根据枪虾夹螯实体的图片以及CT扫描的结果，可以初步根据大致轮廓在PRO/E中设计如图1所示的初始模型，并在周围建立夹螯机构外部周围的流域部分。
步骤2)：根据构建的仿生枪虾机构的初始模型建立流场域，为保证淹没射流到达出口后产生的湍流能够在流场域中充分发展，将流场域的特征优选设置成一个长方体，其长度是夹螯机构最大长度的6-7倍，高度是夹螯机构高度的5-6倍，宽度是夹螯机构宽度的3倍，目的是为了让淹没空化射流产生的湍流在周围的流域中充分发展，以便进行数值模拟仿真，尽可能减小误差，以分析枪虾特殊形状的夹螯机构产生的淹没空化射流对流场的影响。流场域中流场方向与实际流动路径一致，从长方体流场域左侧水平流进，右侧流出，放置在流场域中的仿生枪虾机构的初始模型与水平逆时针方向呈0-90度偏转角，偏转角优选为0-50度。
步骤3)：利用ICEM-CFD软件对步骤2)所得的流场域进行网格划分，网格划分采取内外流域的混合网格相结合的模式。内流域为枪虾螯部的内部空穴部分以及周围的外部流域，外流域为内流域以外离夹螯机构较远的部分，优选的，外流域在宽度上约为内流域的3倍，长度和高度在内流域的7倍以上，以保证外流域足够大能够减小仿真所带来的误差。内部网格采用非结构形式的四面体网格，外流域采用结构化的六面体网格，内外网格逐渐过渡化处理，膨胀率优选为1.3左右。
步骤4)：将步骤3)中划分好的混合网格导入到FLUENT中进行数值模拟计算，数值模拟主要参考的物理参数表如表1所示。
表1：本发明中数值模拟主要参考物理参数表
| 标准大气压 | 1.01325×10<sup>5</sup>Pa |
| 25℃下液态水的饱和蒸气压 | 3.169×10<sup>3</sup>Pa |
| 枪虾射流速度 | 32m/s |
| 海水水温 | 18-24℃ |
| 空化气泡平均半径 | 3.5mm |
| 运动过程完成时间 | <300us |
| 动螯空腔体积 | 0.042mm<sup>3</sup> |
| 海水平均水深 | 20.8m |
采用瞬态多相流模型对第一版模型进行动网格的动态仿真，优选的，多相流模型选用Mixture模型，将湍流模型设为k-epsilon，由于枪虾夹螯机构产生的空化射流从囊腔中产生，该区域的分子粘性影响远大于湍流脉动影响，故选用标准壁面函数配合k-epsilon湍流模型进行计算，将流域的入口设为速度入口边界条件，设置好初始的流入速度，出口设为压力出口边界条件，设置相应压力，侧边的流场边界设为对称，其他表面设为无滑移边界条件。根据枪虾夹螯机构闭合时的运动机制，综合考虑夹螯闭合时的时间、转动角度、角速度以及角加速度等，可知整个闭合过程是一个角加速度增大的变加速转动，查阅相关文献可知最大角速度可达到3000-4000rad/s，闭合时间约为885μs，最大角速度可达到4392rad/s。将运动参数写入udf文件内导入进fluent主界面中。运用Smoothing和Remeshing模型配合计算，从而在动网格运动的过程中不断更新网格。对全域进行初始化之后，优选采用PISO算法对压力场和速度场进行迭代求解，对压力方程采用Presto格式，其余采用二阶迎风格式进行离散。设置好时间步和步长后，从入口处初始化，开始计算。
步骤5)：根据步骤4)中的数值模拟结果，在枪虾夹螯闭合的过程中，随着两螯之间的夹角逐渐减小，由于柱塞的击入，滞留在螯部囊腔内的水被挤出，顺着定螯内的特殊表面结构形成尺度不一的湍流，同时动螯的尖端部分由于线速度最大，对水流的扰动最大，故在尖端处形成一较为稳定的负压区，完全闭合之后两股湍流在出口前端混合，形成一股环状的高速射流，射流的中心为最大负压区，可以明显推理出中心的空化形成。
步骤6)：建立空化性能识别方法，通过分析FLUENT软件直接或间接的得到的仿枪虾机构压力、速度、雷诺数和气态体积分数的云图的变化规律，然后利用空化数的计算公式来佐证枪虾夹螯机构产生空化射流时的空化状态和空化剧烈程度，作为空化射流的评判标准；空化数计算公式如下：
式中p∞和u∞分别为未扰动时流体的静压和速度，ρ和pv分别为水流的密度和饱和蒸气压。分母是水流的动压头，是提供能量促使空化的发生的因素，而分子是蒸汽泡内外压力之差，是促使空化溃灭的因素。从理论上来说，当σ＜1时就会发生空化，当σ≤0.5时空化现象就会稳定。各个对照组的空化数计算结果整理成如表2所示。
表2：优化过程中各主要对照组的空化数计算结果
| 对照组序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 空化数计算结果 | 0.65 | 0.62 | 0.77 | 0.59 | 0.52 | 0.54 | 0.43 |
步骤7)：根据步骤6)中的仿真分析结果，针对空化射流在出口处耗散过快的问题，对动螯的形状进行了修改，从动螯厚度、柱塞横截面积、柱塞长度等结构参数进行调整，同时为了解决淹没射流在产生到射出过程中的流量损失，对定螯的侧壁进行了加高。然后利用控制变量法，生成多组仿生枪虾夹螯模型，并按照步骤2)—6)的过程进行仿真试验，分析射流的分布及射流的物理参数，通过计算每组模型的空化数评价产生空化的效果，结合云图判断聚焦性能，以空化和聚焦性能为指标，不断调整动螯的厚度尺寸和柱塞的横截面积，优化定螯凹槽的外形曲线，获得优化的仿生枪虾机构的模型。如图2-图5所示；图3(a)为基于生物模型提取特征的原始模型，图3(b)为增大了凹槽的体积，并增高了侧壁尺寸的优化模型，防止能量流失过多，图3(c)是增加了动螯的横截面积及厚度，且适当在凹槽底部增加凸起的优化模型，这样有利于涡旋产生；图4(a)、图4(b)为优化前后动螯和柱塞部分的结构特点对比。
图6为其中七组对照组的压强及速度变化，其中，组4为加高侧壁后的模型组，组5为加厚动螯和柱塞横截面积的模型组，可以看出随着侧壁加高、凹槽容积增加和增厚动螯等一系列优化措施，得出的压强和速度逐渐达到一个最大值，获得具有最佳空化和聚焦性能的仿生枪虾机构的定螯、动螯、柱塞、凹槽的几何参数，完成仿生枪虾空化射流装置的优化设计。
Claims (8)
1.一种仿生枪虾空化射流装置的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)逆向构建仿生枪虾机构的初始模型；
(2)根据所述初始模型建立流场域，所述流场域的流场方向与实际流动路径一致，放置在流场域中的仿生枪虾机构的初始模型与水平逆时针方向呈0-90度偏转角；
(3)对所述流场域进行网格划分，网格划分采取内外流域的混合网格相结合的模式；所述内流域为枪虾螯部的内部空穴部分以及周围的外部流域，所述外流域为内流域以外的部分；
(4)基于所述混合网格，对仿生枪虾机构的初始模型进行数值模拟仿真，并分析仿生枪虾机构周围流场；
(5)通过仿生枪虾机构的初始模型的有限元仿真，建立空化射流性能判别方法，对仿生枪虾机构模型的空化射流效果进行对比；
(6)根据步骤(5)中的仿真分析结果，优化仿生枪虾机构组成单元的结构，获得仿生枪虾空化射流装置的优化模型。
2.根据权利要求1所述的仿生枪虾空化射流装置的设计方法，其特征在于：步骤(1)具体包括如下内容：
(1.1)根据枪虾夹螯实体的图片以及CT扫描的结果，分析枪虾夹螯结构以及外部的流域部分，所述枪虾夹螯结构包括动螯、柱塞、定螯和凹槽四个部分；
(1.2)构建枪虾夹螯结构的初始模型，并在周围建立夹螯机构外部周围的流域部分。
3.根据权利要求1所述的仿生枪虾空化射流装置的设计方法，其特征在于，步骤(3)中，所述内部网格采用非结构形式的四面体网格，外流域采用结构化的六面体网格，确定膨胀率，对内外网格进行过渡化处理。
4.根据权利要求1所述的仿生枪虾空化射流装置的设计方法，其特征在于，步骤(4)具体包括如下内容：
(4.1)采用瞬态多相流模型对初始模型进行动网格的动态仿真，将流域的入口设为速度入口边界条件，设置初始的流入速度，出口设为压力出口边界条件，设置相应压力，侧边的流场边界设为对称，其他表面设为无滑移边界条件；
(4.2)根据枪虾夹螯机构闭合时的运动机制，综合考虑夹螯闭合时的运动参数，在动网格运动的过程中不断更新网格；
(4.3)对全域进行初始化之后，对压力场和速度场进行迭代求解；
(4.4)设置时间步和步长，从入口处初始化，开始计算。
5.根据权利要求4所述的仿生枪虾空化射流装置的设计方法，其特征在于：步骤(4.1)中，所述瞬态多相流模型选用Mixture模型，并将湍流模型设为k-epsilon，选用标准壁面函数配合k-epsilon湍流模型进行计算。
6.根据权利要求4所述的仿生枪虾空化射流装置的设计方法，其特征在于：步骤(4.3)中，采用PISO算法对压力场和速度场进行迭代求解，对压力方程采用Presto格式，湍动能和体积力选项采用二阶迎风格式进行离散。
7.根据权利要求1所述的仿生枪虾空化射流装置的设计方法，其特征在于：步骤(5)具体包括以下内容：
(5.1)分析得到仿生枪虾机构压力、速度、雷诺数和气态体积分数云图的变化规律；
(5.2)利用空化数来佐证仿生枪虾机构产生空化射流时的空化状态和空化剧烈程度，作为空化射流的评判标准；所述空化数的计算公式如下：
式中，p∞和u∞分别为未扰动时流体的静压和速度，ρ和pv分别为水流的密度和饱和蒸气压。
8.根据权利要求1所述的仿生枪虾空化射流装置的设计方法，其特征在于：步骤(6)具体包括如下内容：
(6.1)所述仿生枪虾机构组成单元的结构包括：动螯、柱塞、定螯和凹槽；
(6.2)所述优化包括：通过修改动螯和柱塞的几何参数，调整动螯及柱塞的形状，所述动螯的几何参数包括厚度和弯曲弧度，柱塞的几何参数包括横截面积和长度；通过修改定螯的侧壁高度，调整定螯的形状；通过改变凹槽的深度和弧度，调整凹槽的形状；
(6.3)利用控制变量法，生成多组仿生枪虾机构模型，并按照步骤2)—5)的过程进行仿真试验，分析射流的分布及射流的物理参数，通过每组模型的空化数评价产生空化的效果，并根据云图判断聚焦性能，以所述空化和聚焦性能为指标，调整动螯的厚度尺寸、柱塞的横截面积以及定螯的侧壁高度，并改变凹槽的深度和弧度，优化仿生枪虾机构模型，获得仿生枪虾空化射流装置的优化模型。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114861471A (zh) * | 2022-07-06 | 2022-08-05 | 西南石油大学 | 一种柱塞气举工艺应用时机确定方法 |
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| CN110514398A (zh) * | 2019-08-01 | 2019-11-29 | 南京理工大学 | 一种基于仿生设计的枪虾空化射流试验系统及其调试方法 |
| CN111241662A (zh) * | 2020-01-02 | 2020-06-05 | 西安交通大学 | 一种仿生波动鳍的推进性能数值计算方法 |
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2020
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