[发明专利]基于流固耦合数值计算的压力补偿灌水器设计方法

权利要求书

1.一种基于流固耦合数值计算的压力补偿灌水器设计方法，其特征在于：

1）首先根据灌水器设计要求，采用CAD软件pro/e建立灌水器中流体区域参数化几何模型及弹性膜片几何模型；

2）然后将CAD模型导入CAE软件ADINA中，设定与实际工况相同的边界条件及求解控制参数后，进行流固耦合数值计算；

3）根据计算结果调整几何模型参数，直到计算结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，制作出快速成型试验件，进行水力性能实验；

4）对比水力性能实验结果与设计要求，若实验结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，则完成设计，若不满足则修改模型。

2.根据权利要求1所述的基于流固耦合数值计算的压力补偿灌水器设计方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，几何模型建立

根据灌水器设计要求初步确定压力补偿灌水器结构参数，即运用CAD软件pro/e分别建立灌水器流体域几何模型及弹性膜片几何模型；

建模时，在流体域几何模型中，膜片圆柱面外位置，添加薄层流体几何模型，厚度不超过膜片直径1%；

第二步，模型导入

将流体域及弹性膜片几何模型分别导入CAE计算软件ADINA相应的流体与结构计算模块，并分别设置流体、膜片的材料参数，流体参数为不可压缩粘性流体，密度1000kg/m³，层流动力粘度1E-3Ns/m²，湍流模型选用K-ω低雷诺数湍流模型；膜片采用2参数Mooney-Rivlin橡胶材料模型，根据橡胶材料单轴拉伸试验确定模型参数C₁、C₂及泊松比μ；接触壁面模型采用在ADINA软件中建立的surface几何，并设为刚性接触面；

第三步，模型离散

在ADINA软件中进行几何离散，划分网格，流体模型采用4节点四面体网格单元离散；固体模型采用8节点六面体网格单元离散，接触壁面模型采用4节点面网格离散；

第四步，边界条件设置

流体域采用压力入口1与静压出口条件，出口压力值为大气压力，参考值0kPa，流体-弹性膜片交界面为流固耦合边界，采用迭代法与增量法相结合的瞬态求解方法，入口处压力逐步增量加载，同时控制压力加载量，以避免膜片变形过大造成网格重叠，保证计算收敛性；弹性膜片与补偿腔壁面接触面为接触边界，摩擦系数由实验测得，弹性膜片-流体交界面为流固耦合边界；

第五步，流固耦合数值计算

流固耦合采用迭代耦合分析方法，控制方程求解采用完全牛顿迭代方法，位移与压力收敛判据——相对残差小于0.001，流体控制方程求解采用有限体积方法，格式选用二阶空间离散，时间积分采用二阶composite积分格式，求解采用simple算法，变量收敛判据——相对残差小于0.001，固体分析采用隐式动力分析方法，有限元方法离散，二阶精度Bathe composite时间积分格式，完全牛顿迭代法计算，位移收敛判据——相对残差小于0.001，膜片与壁面间接触分析采用constraint function算法；

第六步，自适应网格重构

网格发生畸变会影响计算收敛性，当耦合计算不能在100步内收敛时，中止计算，进行网格重构；

第七步，重启动分析

将中止计算前的结果作为初始条件施加到重构后的新网格模型上，返回第五步继续流固耦合数值计算，直到加载的入口压力值达到所需压力；

第八步，后处理

计算完成后统计不同入口压力对应的出口流量，绘制压力-流量关系曲线，并与设计要求进行对比：若计算结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，则完成计算，进行第九步工作；否则返回第一步,修改模型参数重新计算直至满足设计要求，并记录已完成计算的模型参数及计算结果，为修改模型参数提供依据；

第九步，快速成型件制作

根据流固耦合计算所确定的压力补偿灌水器结构参数，制作其快速成型实验件，并完成实验件组装；

第十步，水力性能实验

将制成的实验件接入灌水器综合性能实验台，进行实验，将实验结果与设计要求进行对比，根据对比结果对灌水器模型参数进行修改，返回到第一步重新开始计算，直到实验结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内时，完成压力补偿灌水器快速定型。