欢迎访问东莞市艾希特计算机科技有限公司官方网站!
加入收藏 / 联络我们 / 返回首页
艾希特产品列表
技术资料下载
您的位置: 首页 ->  软件介绍  ->  Flow-3D

航天航空

 详情说明

Flow-3D基于VOF方法的箱体内液体晃荡仿真分析方案

1 必要性分析
       晃荡(sloshing)是指两种或两种以上互不相溶流体(一般是液体与气体),在有限空间内的运动,其特点是存在可自由移动的自由表面(界面)。晃荡现象在现实生活中有很多,航行中的液货船(如LNG、LPG及原油货轮)、飞行中的火箭液体燃料舱、地震时核反应炉和水库等储液系统中流体的运动均是此类例子。
晃荡本身是一种非常复杂的流体运动现象,呈现出很强的非线性和随机性,会造成危害,必须加以防止。如:
(1) 运载火箭在飞行中,燃料储箱中的液体晃荡会影响飞行器控制系统的正常工作,引起动力不稳定性,甚至造成事故;
(2) 人造地球卫星上用于调整姿态的液体,若对其晃荡不加以处理,就可能导致卫星姿态失稳(Abramson);
(3) 地震时,引起的较强的晃荡压力会造成储液罐结构的破坏,严重时,导致液体泄漏,这对油罐、核反应炉等来说是及其危险的;
(4) 海上液货轮的摇荡所引起的晃荡会导致稳性的损失,剧烈的晃荡压力会对容器壁面产生强烈的冲击(impacting),从而造成结构的破坏,严重时会造成油气的泄漏。 
      晃荡也可以给人类带来益处,应该加以利用:如减摇水舱的合理使用,可以起到减小舰船在风浪中摇荡幅度、提高耐波性的效果;高层建筑设置减振水箱,利用水体晃荡吸收部分振动能量,达到减振的目的。因此,从工程实际需要看,为了控制或利用晃荡,对晃荡现象加以研究,是十分必要的。


2 箱体内液体晃荡研究方法及难点
       在外在激励或荷载的作用下,液体在有限区域内自由表面的波动所引起的整个区域的运动情况既为液体晃动。液体晃动问题是个复杂的物理过程,从晃动剧烈程度上可分为线性晃动和非线性晃动两种,例如,对于液舱内的晃动问题,如果液体晃动幅度远小于结构几何尺寸,这种情况被认为是小幅晃动,一般考虑成线性问题进行处理;当液体晃动幅度超过液舱特征长度  的1/4时,此时需考虑非线性晃动影响。由于晃动过程中自由液面的存在,其变化形式极其复杂,因此对自由液面描述是分析该问题的关键也是难点之一。
       近年来工程实际中由于液体晃动问题引起的重大事故越来越多。随着计算机技术的快速发展,复杂的液体晃动问题吸引了大批国内外工程师投身其研究中。
       液体晃动数值分析有着理论分析和实验分析无法比拟的优势,理论分析只能对某些特定的简单情况做出相应假设进行理论求解,而试验分析需投入大量的人力、物力和财力,且很多物理量无法直接获得,一般周期也较长。随着CFD技术和工程软件的快速发展,数值分析已能处理复杂的强非线性液体晃动问题,而且应用成本低,计算速度快,精度高且能获得大量的计算结果,这也很快成为分析液体晃动问题的重要方法。
       晃荡是一种非常复杂的流体运动现象,液体晃荡与液体的载液深度、容器的几何形状、尺寸和容器的运动(幅度、频率、相位)以及运动方式密切相关,而且受液体自身的物质特性(粘性和密度等)影响。从上世纪七十年代开始,随着计算机的快速发展,出现大量的工程软件,各种各样的数值方法相继提出,其中的很多方法被用于解决液体晃动问题。对于液体晃动问题,自由液面的描述是难点之一,采用传统的CFD软件进行晃荡问题的仿真计算时,通常会遇到以下困难:
1. 晃荡引起的液面波浪翻卷、破碎及合并等使得自由界面捕捉变得更加困难;
2. 外部激励加载困难,如飞行器不同飞行姿态的模拟:起飞、加速、翻滚、降落等;
3. 对于因晃动产生的燃料中电荷的分布和传递模拟困难,这可能会导致燃料自由表面上燃料蒸气混合物具有电势能成为导电体
4. 计算收敛困难,且计算速度慢、易发散;
5. 当对箱体结构进行优化改进后,需要重新在软件中进行前处理工作,耗时长,效率低。 


3 箱体内液体晃荡研究解决方案
       对于液体晃动问题,自由液面运动、破碎和翻卷等现象的准确描述是重中之重。海基科技引入了专业的基于TruVOF技术的流体分析软件Flow-3D,非常适合进行这种容器内晃荡问题的CFD分析,如油箱晃荡对整机重量中心的影响分析,油箱隔板的优化设计分析、贮箱晃动的影响分析等。其主要的技术关键点如下:
 6 DOF模型:6 DOF运动模型可以模拟某箱体的复杂运动方式,可以从设备系统上考察箱体的运动方向及位移(也称为某箱体的姿态)。
       自由液面追踪模型:箱体随着设备姿态的变化而变化,如设备翻转、前进或后退,液态燃料的液面将撞击箱体壁面,发生液态燃料液面的变化,从而导致液态燃料的重心发生改变。自由液面追踪模型能够准确的模拟箱体内的液态燃料液面变化情况。当两相的密度比非常大(如燃料的密度>1000倍的空气密度)时,可以用单相的自由液面方式来模拟。
       非惯性坐标系模型:在惯性坐标系下,如果晃动频率较高时,计算的时间步长要求非常严格,同时计算量非常大,很难稳定计算。非惯性坐标系模型可以解决类似问题,它把惯性坐标系转换为非惯性坐标系,大大减少计算量,同时计算的稳定性较高。该模型在箱体晃动问题的求解上非常的有用。
电场模型:电场模型可以与自由液面追踪模型结合使用,可以考察箱因晃动产生的燃料中电荷的分布和传递。

 

ACC Tech可提供的技术服务包括: 
软件采购:ACC Tech向客户单位提供正式授权的Flow-3D软件,并包含高级培训。
定制培训:针对箱体晃动相关的仿真问题,向客户技术团队提供软件高级应用功能培训。对于项目实施中涉及到的软件能力、理论支撑、模型方法等进行系统性培训,目标是使技术人员建立起系统地仿真思维,不仅掌握建模分析过程,更具备如何分解问题的方法论。 
项目导航:对于技术复制性强的问题,双方可采用项目导航的形式进行合作。导航项目是将问题中的典型工况提交海基科技实施,并由客户单位参与辅助性工作。实施过程中,客户单位技术人员将快速、全面地掌握该类问题的建模分析方法及技巧,并在后续其他工况的分析中独立完成,实现团队能力的提升。
工程咨询:对技术难点高的应用方向,客户单位仅需提供计算条件和设立仿真目标,由海基科技及其外延专家团队负责项目实施。工程咨询过程将严格按照项目过程管理要求,按目标按时间节点提供服务成果。该合作方式也同时包括定制培训。


4 箱体内液体晃荡工程案例介绍
4.1 飞机外挂油箱晃荡分析
       油箱是飞机上的一个非常重要的部分,为发动机提供运行所需燃油。油箱箱体的结构和布置形式在很大程度上决定了燃料系统的重量特性、工作寿命、可靠性和耐久性。燃油箱布局对飞机的性能、重心和惯性,对飞机燃油系统的设计,尤其是对燃油系统的重量和质量可靠性有很大的影响,是燃油系统设计的基础。
油箱晃荡潜在问题:
 不同姿态及运动状态下,飞机的重心快速运动,影响稳定性
 油箱结构的完整性
评估隔板减少晃动的功效
晃动会产生足够的电荷,飞机油箱加油时可能导致火花

 

       FLOW-3D软件的非惯性坐标系模型、电场模型、FAVER网格技术和精确的自由液面追踪技术可以帮助工程师快速、高效地对飞机在各种飞行姿态下油箱晃动进行分析,包括:
不同飞行姿态过程中液面波动、燃油重心的变化情况
油液对油箱壁的冲击大小
燃油晃荡引起的静电荷分布
油箱防晃隔板设计的合理性,分析挡板的防晃作用等细节。

 


燃油分布

压力分布

电荷分布
上图显示了油箱晃动的燃油分布、压力分布、电荷云图,本仿真的模拟细节如下:
网格:150万网格; 
非惯性坐标系统:偏航,俯仰及翻转等运动,间距序列:4秒;
流体: 单一流体,紊流模型,瞬态流体;
多物理性:电荷场,电势及介电电泳;
模拟时间 : 15小时,8个处理器。

 

4.2 DC-X推进剂燃料供应系统燃料贮箱晃动分析
       通过对The DC-X旋转运动推进燃料供应系统燃料贮箱的各种设计方案进行分析评估,研究各设计参数对贮箱乃至供应系统的影响,并最终确定设计方案,减少推进实验。


设计参数的研究

自由液面分析结果
4.3  STUSTD液氢贮箱增压分析
       STUSTD液氢贮箱为71立方英尺的椭圆舱,通过对正常重力和微重力条件下贮箱内的晃荡、TVS管

轴向喷射、压力变化进行分析,获得贮箱内的压力变化特性,为设计提供依据。


正常重力和微重力条件的温度场分析

贮箱压力变化分析
       由以上分析可知,贮箱内部压力预测误差小于3.5%。同时,通过对流场的分析可以证明,低重力下的自然对流对于大的低温舱有很大影响。
4.4 X-37 H2O2液舱晃动分析
      在航天器上许多电力系统用于操控燃料舱的燃料,为了正常运行,这些系统必须能可靠的获得自由蒸发的燃料。在微重力环境操作下的燃料采集设计非常具有挑战性,因为表面张力及壁面粘性影响燃料的运动和位置,使得难以保证在需要时,燃料位于出口的位置。
       FLOW3D集成专业的物理模型,可以协助工程师设计推进剂操控系统(PMD),研究航天器在不同运动情况下储存罐内燃料的分布,分析控制系统和储存罐结构对燃料供给的影响,以确保燃料能一贯不间断的输送到推进系统中。飞行器及时的喷射推进决定于引擎重新启动前适当的推进燃料设定,本项目中H2O2于5英尺直径的隔层舱低重力环境下晃动,通过对H2O2液舱的各种设计方案进行分析对比,找出最差状况和最适设计。


充填效果随时间变化对比

参数评估设计
4.5 汽车油箱晃荡及辐射噪声分析
       燃油系统是汽车至关重要的部件之一,它关系到汽车燃油供给和乘客的生命安全。在刹车和启动过程中,燃油对油箱壁撞击所产生的压力会影响到燃油系统的稳定性,同时压力变化还会引起振动噪声,噪声大小也是衡量整车舒适性的重要指标之一。因此,燃油晃动问题一直是燃油系统开发过程中需要研究的重点和难点。
为了分析燃油箱晃动噪声大小和辐射特性,进而改进油箱结构,本案例使用三维CFD仿真软件FLOW3D和声学仿真软件ACTRAN进行联合仿真,实现快速分析燃油晃动噪声问题。
 
油箱模型                                               油箱运动曲线

 

不同时刻油箱内的燃油液面翻滚情况   
       计算方法:流动仿真采用FLOW-3D计算,计算结束后,提取不同时刻的油箱表面压力,然后使用ACTRAN-iCFD积分插值到声学模型上(油箱内表面),进而仿真声学,获得油箱晃动的辐射特征。

Flow-3D结果提取及与声学软件的耦合
       通过声学软件ACTRAN,找出油箱壳体辐射的特征频率,以及此频率下的噪声情况,如下图所示。通过仿真,获得油箱晃动的噪声大小和辐射特性,通过分析可有针对性的修改油箱结构,降低噪声,改善汽车舒适性。


油箱声场计算结果
      运用FLOW-3D软件与ACTRAN联合仿真,借助于ACTRAN的表面压力脉动提取功能,使得压力脉动引起表面振动辐射噪声的计算更加方便。利用ACTRAN积分插值体系,使得计算结果更加精确。

全国热线:400-6600-434

网站首页关于艾希特软件介绍专案服务最新资讯下载中心 技术支持 在线留言联络我们
二维码
东莞市艾希特计算机科技有限公司 版权所有 技术支持:东莞网站建设 访问量: 后台管理 粤ICP备16021440号-1
关闭
点击这里给我发消息