汽車淋雨實(shí)驗(yàn)室參數(shù)化設(shè)計(jì)與模擬仿真內(nèi)容

一、 AN軟件概述

A N SY S是目前世界頂端的有限元商業(yè)應(yīng)用程序。美國(guó)John Sw ans on博士于1970年創(chuàng)建A N—SYS公司后，便開(kāi)發(fā)出了該應(yīng)用程序，以此用計(jì)算機(jī)模擬工程結(jié)構(gòu)分析，歷經(jīng)30多年的不斷完善和修改，現(xiàn)成為全球的工程應(yīng)用的應(yīng)用程序。其版本是AN SYS8.1。

二、參數(shù)化設(shè)計(jì)的必要性

首先根據(jù)流體力學(xué)和能量轉(zhuǎn)換理論設(shè)計(jì)淋雨實(shí)驗(yàn)室噴淋系統(tǒng)，選擇節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)成本的設(shè)計(jì)方案。對(duì)每個(gè)噴頭的噴水量進(jìn)行分析計(jì)算，把計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)，利用A N SYS模擬軟件，對(duì)淋雨試驗(yàn)進(jìn)行模擬仿真，以達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)果的可視化?？梢宰層脩敉ㄟ^(guò)可視化的模擬仿真系統(tǒng)直接對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有所了解，并可以根據(jù)用戶的要求隨意調(diào)整各個(gè)參數(shù)，通過(guò)人機(jī)交互達(dá)到改進(jìn)設(shè)計(jì)的目的，從而滿足不同用戶的各種需求。實(shí)現(xiàn)縮短設(shè)計(jì)周期、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、節(jié)約設(shè)計(jì)成本的目的。

三、仿真過(guò)程

本文主要采用AN SY S軟件對(duì)淋雨實(shí)驗(yàn)室噴淋系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析研究。產(chǎn)品的各項(xiàng)性能均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 12480—90客車防雨密封性試驗(yàn)方法。

1、模型的建立

有限元模型是進(jìn)行有限元分析的計(jì)算模型或數(shù)學(xué)模型，它為計(jì)算提供原始的數(shù)據(jù)。建模是整個(gè)有限元分析過(guò)程的關(guān)鍵，模型合理與否將直接影響計(jì)算結(jié)果的精度、計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短及計(jì)算過(guò)程能否完成。由于用管路是軸對(duì)稱圖形，二維模型就能清楚地顯示其中水的流動(dòng)情況，因此為了節(jié)省計(jì)算機(jī)使用空間和減少計(jì)算時(shí)間，本文利用ANSYS的前處理模塊分別建立頂部、側(cè)面各一個(gè)管路的二維模型。如圖1所示。

2、模型的網(wǎng)格劃分

有限元法的基本思想是把復(fù)雜的形體拆分為若干個(gè)形狀簡(jiǎn)單的單元，利用單元節(jié)點(diǎn)變量對(duì)單元內(nèi)部變量進(jìn)行插值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)總體結(jié)構(gòu)的分析，將連續(xù)體進(jìn)行離散化即稱網(wǎng)格劃分。離散而成的有限元集合將替代原來(lái)的彈性連續(xù)體，所有的計(jì)算分析都將在這個(gè)模型上進(jìn)行。因此，網(wǎng)格劃分將關(guān)系到有限元分析的規(guī)模、速度和精度以及計(jì)算的成敗。實(shí)驗(yàn)表明：如果網(wǎng)格劃分太稀就會(huì)使計(jì)算精度不夠，達(dá)不到預(yù)期效果；隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，計(jì)算度逐漸提高，計(jì)算時(shí)間增加不多；但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，再繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量，計(jì)算度提高甚微，而計(jì)算時(shí)間卻大大增加。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)注意網(wǎng)格劃分的有效性和合理性。這樣就存在一個(gè)網(wǎng)格密度問(wèn)題，本模型首先采用整體智能網(wǎng)格劃分，然后在拐角處進(jìn)行人工控制網(wǎng)格劃分對(duì)其進(jìn)行細(xì)化，以便于有限元計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。

3、限制邊界條件

加載即用邊界條件數(shù)據(jù)描述結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，即分析結(jié)構(gòu)和外界之間的相互作用。分析時(shí)假定入口流場(chǎng)均勻，且無(wú)徑向分量。以單級(jí)單吸離心清水泵為例，當(dāng)流量Q=100 m 3／h，揚(yáng)程h=50 m，轉(zhuǎn)速=2 900 dmin，功率F=22 kW，進(jìn)口直徑d0=100 l-nn'l，泵體耐壓P=1．0 M Pa，排水口直徑dl=80 l-nn'l，葉輪名義外徑d2=200 m m時(shí)，按照一元束流理論，可取入1 2I速度為管路里按照公式=Q[A計(jì)算所得的速度，軸向和周向速度為零；在所有壁面上施加無(wú)滑移邊界條件，即所有速度分量均取為零；由于流體按不可壓縮處理，且其性質(zhì)恒定，所以在這種情況下，壓力就可只考慮相對(duì)值，即在出口處施加的壓力邊界條件是相對(duì)壓力為零；由于是湍流分析，可將出口處局部放大，以使流場(chǎng)能得到充分發(fā)展。在加載時(shí)，邊界條件可直接施加在幾何模型上，其優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)改變有限元網(wǎng)格而重新進(jìn)行分析時(shí)，無(wú)需在節(jié)點(diǎn)上重新施加邊界條件；而通常的做法是將邊界條件加載在有限元模型上，這樣當(dāng)改變有限元網(wǎng)格時(shí)，必須先刪去現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)上的邊界條件，再施加新的載荷，以保證加載的準(zhǔn)確性。但要注意：無(wú)論采取何種加載方式，AN—SY S求解前都將載荷轉(zhuǎn)化到有限元模型上。因此，加載到實(shí)體的載荷將自動(dòng)轉(zhuǎn)化到其所屬的節(jié)點(diǎn)或單元上。

執(zhí)行主菜單Pr epr oces sor>Loads>Appl y>V e—l oei ty>On Li nes(施加速度在線上)命令；執(zhí)行主菜單Pr epr ocess or>Loads>A ppl y>Pres sur e DO F>O n Li nes(施加壓力自由度在線上)命令。

4、求解過(guò)程

我們選擇軟件默認(rèn)的直接解法，它只尋求分析的穩(wěn)定性，并不強(qiáng)調(diào)求解的速度，而且對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存要求不高，在求解器處理每個(gè)單元時(shí)，同時(shí)進(jìn)行整體矩陣的組集和求解。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，存在著劣質(zhì)網(wǎng)格及流動(dòng)現(xiàn)象本身不穩(wěn)定等因素，有必要采取措施提高收斂性，使求解達(dá)到穩(wěn)定。AN SYS程序提供的常用工具有松弛系數(shù)、慣性松弛、人工粘性、速度限值和面積積分階次等。松弛系數(shù)(FLD隊(duì)25)的值是介于0和1之間的小數(shù)，它表示舊結(jié)果與附加在舊結(jié)果上形成的新結(jié)果的最近一次計(jì)算值之問(wèn)的變化量。采用小的松弛系數(shù)可減小解的振蕩，提高穩(wěn)定性，但會(huì)導(dǎo)致收斂速度降低，迭代次數(shù)增加，所以可在初始迭代計(jì)算中，采用小的松弛系數(shù)來(lái)減小不適當(dāng)?shù)某跏贾狄鸬挠?jì)算不穩(wěn)定，當(dāng)?shù)欢ù螖?shù)后，將以上結(jié)果作為初始值繼續(xù)迭代時(shí)，可取較大的松弛系數(shù)以提高收斂速度。模擬中速度項(xiàng)松弛系數(shù)、壓力項(xiàng)系數(shù)(PRES)、湍流松弛系數(shù)(EN KE)的取值依據(jù)A NSY S軟件給出的標(biāo)準(zhǔn)值，如圖2所示。

當(dāng)求解過(guò)程中發(fā)生舍人誤差時(shí)，慣性松弛(FLDAT A 26)就可能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，它以所加項(xiàng)分母的形式出現(xiàn)，值越小，所起的作用越大。人工粘性(V Isc)用在梯度較大的區(qū)域以平抑速度解，它有助于可壓縮問(wèn)題的收斂，也有助于對(duì)有分布阻力的不可壓縮問(wèn)題的速度解進(jìn)行平抑。模擬中動(dòng)量(M OM E)、壓力(P砥強(qiáng))和渦流(TU RB)的慣性松弛、溫度慣性松弛及人工粘性(V ISC)的取值參照?qǐng)D3所示。對(duì)于不可壓縮問(wèn)題，應(yīng)使人工粘性的幅值與有效粘性的幅值處于相同的數(shù)量級(jí)。程序中默認(rèn)的用于計(jì)算單元面積積分的階次是單點(diǎn)積分，對(duì)于軸對(duì)稱問(wèn)題，該值設(shè)為2，這樣可使含有異常形狀單元的問(wèn)題收斂到更的解。在FLO TRA求解過(guò)程中，程序在每一次總體迭代里對(duì)每一個(gè)自由度計(jì)算出一收斂監(jiān)測(cè)量。包括：速度(Ⅵ(、V Y、v z)、壓力(PI也S)、溫度(TEM P)、湍流動(dòng)能(EN K E)和動(dòng)能耗散率(EN DS)。在批處理或交互式運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)求解進(jìn)行時(shí)，程序的圖形求解跟蹤GST功能將實(shí)時(shí)顯示出所計(jì)算的收斂監(jiān)測(cè)量。圖4為本模擬進(jìn)行穩(wěn)態(tài)圖3慣性松弛系數(shù)的取值C um ulative lnterati o n N um ber側(cè)求解時(shí)的GST圖形。

5、后處理

后處理是將計(jì)算所得的結(jié)果可視化。AN SYS有2個(gè)后處理器：①通用后處理器，它只能觀看整個(gè)模型在某一時(shí)刻的結(jié)果；②時(shí)間歷程后處理器，可觀看模型在不同時(shí)間的結(jié)果。本文采用通用后處理器進(jìn)行求解。圖5為的管路內(nèi)的流體流線圖。我們可以更改其參數(shù)，如改變水泵的泵人流量或改變管路直徑大小，即改變進(jìn)口速度的值，得出不同流量下的流線圖和噴淋管路中各個(gè)噴嘴出口流體流速的徑向分布曲線圖，進(jìn)而比較各個(gè)噴嘴的流速是否均勻。

AN SYS軟件具有較強(qiáng)的后處理功能，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理后可得到噴淋管路中各個(gè)噴嘴出口處流體流速的徑向分布曲線圖，如圖6所示。圖中橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)在噴嘴出口橫截面上所處位置的相對(duì)半徑，縱坐標(biāo)為該點(diǎn)的軸向速度。http://www.sh-bise.com