CN113408180B - 一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法，基于ANSYS软件中Fluent流体计算模块研究涡街流量计内部低温/超低温流场的流动特性，将上述计算结果导入到ANSYS软件中StaticStructural结构力学计算模块分析涡街流量计流道内低温/超低温流体对旋涡发生器的变形、应力应变的影响，并将变形后的结构再次导入到ANSYS软件中Fluent流体计算模块来研究发生变形后的旋涡发生器对流道内低温/超低温流体流动特性的影响，为发射场固定校验系统标定提供技术支撑，有助于进一步提高加注精度，减少加注过程中流量计量精度方面的误差，确保任务的顺利发射。

Description

一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法
技术领域
本申请涉及低温介质流量测量控制技术领域，尤其是涉及一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法。
背景技术
液体火箭推进剂加注是发射场的重要工作，加注技术是航天发射技术的重要组成部分。发射场现执行的各种型号任务的加注定量方式皆为：基本加注量由箭上液位计定量、地面流量计监视，补加量由地面补加流量计定量补加。发射场现所用流量计皆为涡街流量计(或称漩涡流量计)，该流量计为速度式流量计，输出信号是与流量成正比的电压脉冲信号，可远距离传播，在常规介质及常规输送温度下的输出信号仅于流量有关，不受流体温度、压力、成分、粘度和密度影响，且该流量计量程比宽，结构简单，无运动件，检测原件不接触被测流体，具有测量精度高、应用范围广、使用寿命长等特点。但对低温/超低温液体火箭推进剂这种非常规介质及非常规输送温度，流量计的计量精度显得至关重要，其直接关系到加注精度，是保障任务顺利发射的重要条件之一。鉴于目前这种低温/超低温介质流量计量测试系统难以在实验室内搭建，建设和维护成本很高，也极容易发生危险。
目前，利用各种流体数值计算方法对涡街流量计流道结构进行仿真分析时，大都采用的有限元本征分析方法，也没有考虑低温/超低温介质特性，主要通过ANSYS软件中Fluent流体计算模块对不同上下游(即涡街流量计流道前后端)直管段长度下涡街流量计的旋涡脱落频率进行了仿真计算，来研究管道条件对涡街流量计测量结果及内部流场产生的影响，并对相关影响因素进行分析。但这种单一模块的数值计算方法完全忽视了涡街流量计流道内低温/超低温流体对旋涡发生器的变形影响以及发生变形后的旋涡发生器对流道内流体流动特性的影响，对于液体火箭推进剂精确加注系统而言，这将在很大程度上影响涡街流量计的测量精度，因此，必须完善二者在耦合状态下的求解方式，寻求一种高效、精确的求解技术。
发明内容
为了改善传统方式导致涡街流量计的测量精度不高的问题，本申请提供一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法。
本申请提供一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法，采用如下的技术方案：
一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法，包括以下步骤：
步骤一，对火箭发射场用低温/超低温涡街流量计流道和旋涡发生器结构进行有限元建模，并将涡街流量计中流体域和固体域进行划分且分别命名为F1和S1；
步骤二，借助ANSYS软件中Fluent模块，对流体域进行求解，同时抑制固体域几何体，对流体域中的流体流入端命名为Inlet，对流体域中的流体流出端命名为Outlet，同时将流体域与固体域接触的耦合面命名为F_sfi；
步骤三，采用六面体网格剖分流体域，并着重对上述耦合面F_sfi进行网格细化，并检查网格质量；
步骤四，将ANSYS软件里Mesh模块中建好的网格导入Fluent模块中进行仿真计算，且选择双精度计算模式，Fluent模块中的求解条件设置如下：数值模拟模型选用RNGk-ε模型，该模型为两方程模型，分别为：
k方程：
Figure BDA0003167750410000021
ε方程：
Figure BDA0003167750410000022
湍流粘性系数表达式：
Figure BDA0003167750410000023
步骤五，在命令树中选择Run calculation命令，直至计算收敛进行后处理操作，得到考虑流固耦合前的速度分布云图、速度矢量云图和壁面受力矢量云图，关闭Fluent模块，并将Fluent模块中计算结果导入Static Structural模块中；
步骤六，借助ANSYS软件的Static Structural模块对固体域进行求解，同时需要抑制流体域几何体，将固体域与流体域接触的耦合面命名为S_sfi；
步骤七，采用四面体网格剖分固体域，并着重对固体域与流体域接触的耦合面S_sfi进行网格细化，并检查网格质量；
步骤八，将旋涡发生器两端面设置为固定边界来限制其移动，同时映射力密度到结构网格上，并进行初步计算，将载荷载入固体域后，进行求解计算；
步骤九，将计算结果导出后关闭Static Structural模块，随后将StaticStructural模块中计算结果导入Fluent模块中，重复上述在Fluent模块中的操作步骤，最终可以得到将流固耦合方法计算在内的涡街流量计流道内的速度矢量图和速度云图。
可选的，在步骤二中具体抑制固体域几何体的步骤为：在Toolbox栏中的Project-Model(A3)-Geometry选中固体域模型S1，选择Suppress Body，将流体域计算中不使用的固体域的几何抑制掉。
可选的，在步骤六中具体抑制流体域几何体的步骤为：在Toolbox栏中的Project-Model(B4)-Geometry选中流体域模型F1，选择Suppress Body，将固体域计算中不使用的流体域的几何抑制掉。
可选的，在步骤三和步骤七中，网格数量范围控制在30-60万之间，网格畸变量应小于0.1。
可选的，在步骤八中映射力密度的具体步骤为：在“Impored Pressure(A5)”中将Fluent模块中F_sfi耦合面与Static Structural模块中(7)耦合面S_sfi作映射处理。
可选的，在步骤四中求解条件还包括如下设置：
求解器设置：基于速度流场的三维双精度瞬态求解器，采用simple算法，研究形式为瞬态。
可选的，在步骤四中求解条件还包括如下设置：
流体属性选择：传输介质为液氧，设置低温/超低温流体与管壁接触面Wall温度范围为50-100K，密度设置为1142kg/m3，比热设置为1699J/kg·k。
可选的，在步骤四中求解条件还包括如下设置：
边界条件设置：流入端Inlet速度入口设置范围为1-10m/s，流出端Outlet压力出口设置为零压。
可选的，在步骤四中求解条件还包括如下设置：
非稳态计算时间步长：时间步长
Figure BDA0003167750410000041
时间步长范围为20-100。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.基于ANSYS软件中Fluent流体计算模块研究涡街流量计内部低温/超低温流场的流动特性，将上述计算结果导入到ANSYS软件中Static Structural结构力学计算模块分析涡街流量计流道内低温/超低温流体对旋涡发生器的变形、应力应变的影响，并将变形后的结构再次导入到ANSYS软件中Fluent流体计算模块来研究发生变形后的旋涡发生器对流道内低温/超低温流体流动特性的影响，为发射场固定校验系统标定提供技术支撑，有助于进一步提高加注精度，减少加注过程中流量计量精度方面的误差，确保任务的顺利发射；
2.本发明所采用的数值分析方法，未考虑流固耦合的传统数值分析方法以及液体火箭推进剂加注实际测量数值作对比分析，得出本发明所采用的低温/超低温流固耦合数值分析方法更加贴合实际，大幅提升了在通过有限元分析软件对高精密仪器进行数值模拟时的计算精度。
具体实施方式
本申请实施例公开一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法，具体实施步骤如下：
步骤一，对火箭发射场用低温/超低温涡街流量计流道和旋涡发生器结构进行有限元建模，并将涡街流量计中流体域和固体域进行划分且分别命名为F1和S1。
步骤二，借助ANSYS软件中Fluent模块，对流体域进行求解，同时抑制固体域几何体(具体抑制固体域几何体的步骤为：在Toolbox栏中的Project-Model(A3)-Geometry选中固体域模型S1，选择Suppress Body，将流体域计算中不使用的固体域的几何抑制掉)，对流体域中的流体流入端命名为Inlet，对流体域中的流体流出端命名为Outlet，同时将流体域与固体域接触的耦合面命名为F_sfi。
步骤三，采用六面体网格剖分流体域，并着重对上述耦合面F_sfi进行网格细化，并检查网格质量,网格数量范围控制在30-60万之间，网格畸变量应小于0.1。
步骤四，将ANSYS软件里Mesh模块中建好的网格导入Fluent模块中进行仿真计算，且选择双精度计算模式，Fluent模块中的求解条件设置如下：数值模拟模型选用RNGk-ε模型，该模型为两方程模型，分别为：
k方程：
Figure BDA0003167750410000051
ε方程：
Figure BDA0003167750410000052
湍流粘性系数表达式：
Figure BDA0003167750410000061
求解器设置：基于速度流场的三维双精度瞬态求解器，采用simple算法，研究形式为瞬态；流体属性选择：传输介质为液氧，设置低温/超低温流体与管壁接触面Wall温度范围为50-100K，密度设置为1142kg/m3，比热设置为1699J/kg·k；边界条件设置：流入端Inlet速度入口设置范围为1-10m/s，流出端Outlet压力出口设置为零压；非稳态计算时间步长：时间步长
Figure BDA0003167750410000062
时间步长范围为20-100。
步骤五，在命令树中选择Run calculation命令，直至计算收敛进行后处理操作，得到考虑流固耦合前的速度分布云图、速度矢量云图和壁面受力矢量云图，关闭Fluent模块，并将Fluent模块中计算结果导入Static Structural模块中。
步骤六，借助ANSYS软件的Static Structural模块对固体域进行求解，同时需要抑制流体域几何体(具体抑制流体域几何体的步骤为：在Toolbox栏中的Project-Model(B4)-Geometry选中流体域模型F1，选择Suppress Body，将固体域计算中不使用的流体域的几何抑制掉)，将固体域与流体域接触的耦合面命名为S_sfi。
步骤七，采用四面体网格剖分固体域，并着重对固体域与流体域接触的耦合面S_sfi进行网格细化，并检查网格质量,网格数量范围控制在30-60万之间，网格畸变量应小于0.1。
步骤八，将旋涡发生器两端面设置为固定边界来限制其移动，同时映射力密度到结构网格上，映射力密度的具体步骤为：在“Impored Pressure(A5)”中将Fluent模块中F_sfi耦合面与Static Structural模块中(7)耦合面S_sfi作映射处理，并进行初步计算，将载荷载入固体域后，进行求解计算。
步骤九，将计算结果导出后关闭Static Structural模块，随后将StaticStructural模块中计算结果导入Fluent模块中，重复上述在Fluent模块中的操作步骤，最终可以得到将流固耦合方法计算在内的涡街流量计流道内的速度矢量图和速度云图。
本申请实施例一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法的实施原理为：基于ANSYS软件中Fluent流体计算模块研究涡街流量计内部低温/超低温流场的流动特性，将上述计算结果导入到ANSYS软件中Static Structural结构力学计算模块分析涡街流量计流道内低温/超低温流体对旋涡发生器的变形、应力应变的影响，并将变形后的结构再次导入到ANSYS软件中Fluent流体计算模块来研究发生变形后的旋涡发生器对流道内低温/超低温流体流动特性的影响，为发射场固定校验系统标定提供技术支撑，有助于进一步提高加注精度，减少加注过程中流量计量精度方面的误差，确保任务的顺利发射。
本发明所采用的数值分析方法，未考虑流固耦合的传统数值分析方法以及液体火箭推进剂加注实际测量数值作对比分析，得出本发明所采用的低温/超低温流固耦合数值分析方法更加贴合实际，大幅提升了在通过有限元分析软件对高精密仪器进行数值模拟时的计算精度。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，对火箭发射场用低温/超低温涡街流量计流道和旋涡发生器结构进行有限元建模，并将涡街流量计中流体域和固体域进行划分且分别命名为F1和S1；
步骤二，借助ANSYS软件中Fluent模块，对流体域进行求解，同时抑制固体域几何体，对流体域中的流体流入端命名为Inlet，对流体域中的流体流出端命名为Outlet，同时将流体域与固体域接触的耦合面命名为F_sfi；
步骤三，采用六面体网格剖分流体域，并着重对上述耦合面F_sfi进行网格细化，并检查网格质量；
步骤四，将ANSYS软件里Mesh模块中建好的网格导入Fluent模块中进行仿真计算，且选择双精度计算模式，Fluent模块中的求解条件设置如下：数值模拟模型选用RNGk-ε模型，该模型为两方程模型，分别为：
k方程：
Figure FDA0003167750400000011
ε方程：
Figure FDA0003167750400000012
湍流粘性系数表达式：
Figure FDA0003167750400000013
步骤五，在命令树中选择Run calculation命令，直至计算收敛进行后处理操作，得到考虑流固耦合前的速度分布云图、速度矢量云图和壁面受力矢量云图，关闭Fluent模块，并将Fluent模块中计算结果导入Static Structural模块中；
步骤六，借助ANSYS软件的Static Structural模块对固体域进行求解，同时需要抑制流体域几何体，将固体域与流体域接触的耦合面命名为S_sfi；
步骤七，采用四面体网格剖分固体域，并着重对固体域与流体域接触的耦合面S_sfi进行网格细化，并检查网格质量；
步骤八，将旋涡发生器两端面设置为固定边界来限制其移动，同时映射力密度到结构网格上，并进行初步计算，将载荷载入固体域后，进行求解计算；
步骤九，将计算结果导出后关闭Static Structural模块，随后将Static Structural模块中计算结果导入Fluent模块中，重复上述在Fluent模块中的操作步骤，最终可以得到将流固耦合方法计算在内的涡街流量计流道内的速度矢量图和速度云图。
2.根据权利要求1所述的一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法，其特征在于：在步骤二中具体抑制固体域几何体的步骤为：在Toolbox栏中的Project-Model(A3)-Geometry选中固体域模型S1，选择Suppress Body，将流体域计算中不使用的固体域的几何抑制掉。
3.根据权利要求1所述的一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法，其特征在于：在步骤六中具体抑制流体域几何体的步骤为：在Toolbox栏中的Project-Model(B4)-Geometry选中流体域模型F1，选择Suppress Body，将固体域计算中不使用的流体域的几何抑制掉。
4.根据权利要求1所述的一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法，其特征在于：在步骤三和步骤七中，网格数量范围控制在30-60万之间，网格畸变量应小于0.1。
5.根据权利要求1所述的一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法，其特征在于：在步骤八中映射力密度的具体步骤为：在“Impored Pressure(A5)”中将Fluent模块中F_sfi耦合面与Static Structural模块中(7)耦合面S_sfi作映射处理。
6.根据权利要求1所述的一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法，其特征在于：在步骤四中求解条件还包括如下设置：
求解器设置：基于速度流场的三维双精度瞬态求解器，采用simple算法，研究形式为瞬态。
7.根据权利要求1所述的一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法，其特征在于：在步骤四中求解条件还包括如下设置：
流体属性选择：传输介质为液氧，设置低温/超低温流体与管壁接触面Wall温度范围为50-100K，密度设置为1142kg/m3，比热设置为1699J/kg·k。
8.根据权利要求1所述的一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法，其特征在于：在步骤四中求解条件还包括如下设置：
边界条件设置：流入端Inlet速度入口设置范围为1-10m/s，流出端Outlet压力出口设置为零压。
9.根据权利要求1所述的一种火箭发射场用涡街流量计流固耦合数值分析方法，其特征在于：在步骤四中求解条件还包括如下设置：
非稳态计算时间步长：时间步长
Figure FDA0003167750400000031
时间步长范围为20-100。
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