[发明专利]一种基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法

摘要

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。

主权项

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ANSYS Workbench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)：∂(ρ)∂t+∂(ρuj)∂xj=0---(1)]]>∂(ρui)∂t+∂(ρuiuj)∂xj=-∂p∂xi+∂∂xj[(μl+μt)(∂ui∂xj+∂uj∂xi)]---(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：[MS]{X··}+[CS]{X·}+[KS]{X}={FCFD}---(3)]]>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。