一种抑制可压缩两相流晃荡的隔板优化方法技术

本发明专利技术提供一种抑制可压缩两相流晃荡的隔板优化方法，包括：基于有限体积法并结合流体体积法，求解可压缩纳维斯托克斯方程组，得到所述液舱内加入阻晃隔板后可压缩流体晃荡的流速和所述液舱侧壁感受到的合力；基于拓扑优化方法并结合带有自由液面的可压缩两相流运动算法，以所述合力为目标函数、所述隔板的渗水率为优化变量对所述阻晃隔板的渗水率进行最优控制，所述渗水率为所述阻晃隔板上挖空面积与阻晃隔板总面积的比值；根据所述最优渗水率确定所述阻晃隔板形状。本发明专利技术实现了考虑带自由液面的可压缩两相流剧烈运动情况下，液舱内抑制可压缩流体运动的隔板形状的优化设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术实施例涉及可压缩流体阻晃
，尤其涉及一种抑制可压缩两相流晃荡的隔板优化方法。
技术介绍
在海洋和航空航天领域，液态货物及液态燃料储液舱都是运载装备的重要组成构件之一，如海上浮式液态天然气开采终端(FLNG)的液化天然气储液舱(LNG)、运载火箭的燃料剂液态氢储液箱等。其共同特点都是船舶或航空器在运动过程中姿态在不停地改变，且储液舱内流体载液率处于不饱和状态，因此储液舱内具有自由液面的可压缩流体在外激励作用下会发生剧烈的运动，使得可压缩流体对液舱结构产生剧烈的冲击。同时，在砰击过程中，自由液面破碎时会包裹气体进入流场，气液混合易导致局部砰击荷载增大。大量事实说明：可压缩流体晃荡产生的局部砰击荷载对储液舱的结构安全和性能、对船舶及航空器的整体运行姿态和稳定性都会产生严重的影响。因此，为了保证海洋工程特种装备和航天运载器具有良好的结构安全性和工作稳定性，就必须对其内部流体的晃荡加以抑制，尽量避免液舱内可压缩流体发生剧烈的晃荡，避免流体晃荡与整体结构的固有振动发生耦合，使之不发生共振现象，减少储液舱结构的安全风险，保证船舶及航空器的正常工作。目前阻晃隔板是用来研究晃荡抑制的较为有限的方法之一，但是针对阻晃隔板形状设计的研究较为匮乏，且板上挖空区域形状均为规则形状。为了更准确反映真实运载装备储液舱中可压缩流体的运动，亟待将具有自由液面的可压缩流体运动与阻晃隔板形状的优化设计系统地结合，准确且高效分析液舱内具有自由液面的可压缩流体剧烈运动下阻晃隔板的最优形状。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种抑制可压缩两相流晃荡的隔板优化方法，以克服上述技术问题。本专利技术一种抑制可压缩两相流晃荡的隔板优化方法，包括：基于有限体积法并结合流体体积法，求解可压缩纳维斯托克斯方程组，得到所述液舱内加入阻晃隔板后可压缩流体晃荡的流速和所述液舱侧壁感受到的合力；基于拓扑优化方法并结合带有自由液面的可压缩两相流运动算法，以所述合力为目标函数、所述隔板的渗水率为优化变量对所述阻晃隔板的渗水率进行最优控制，所述渗水率为所述阻晃隔板上挖空面积与阻晃隔板总面积的比值；根据所述最优渗水率确定所述阻晃隔板形状。进一步地，所述基于有限体积法并结合流体体积法，求解可压缩纳维斯托克斯方程组，得到所述液舱内加入阻晃隔板后可压缩流体晃荡的流速和所述液舱侧壁感受到的合力，包括：建立添加阻晃隔板的液舱计算模型并采用六面体结构化网格划分计算域，隔板上每个网格均具有所述渗水率；设置两种等温不混溶可压缩流体计算域、自由液面高度、气体和流体的密度、两相流的运动粘度系数物理参量；根据所述流体计算域、液面高度和液舱主尺度计算自由液面晃荡的固有频率，流经隔板的流体相对速度始终为0，给出边界条件和初始条件；根据所述自由液面晃荡的固有频率设置液舱晃动激励频率，使得激励频率在逼近共振频率，采用动网格技术模拟液舱受迫往复振荡的工况，阻晃隔板与液舱具有相同的运动；建立所述可压缩流体运动的纳维斯托克斯方程组，选择可压缩流体体积法追踪和捕捉可压缩两相流界面，使用有限体积法离散可压缩纳维斯托克斯方程组，通过压力修正法求解离散后的代数方程组，迭代得到液舱内可压缩流体晃荡的流速场和压力场的收敛解；对所述液舱侧壁处压力场积分，进而给出所述液舱侧壁所感受到的合力。进一步地，所述可压缩流体运动的可压缩纳维斯托克斯方程组，包括：(1)连续性方程其中，ρ为密度[kgm-3]，U为流速[ms-1]，t为时间[s]；针对可压缩流体，不同液相或气相的连续性方程：其中，下标i为相，α为气体或流体在计算单元内的体积分数；(2)可压缩纳维斯托克斯方程(动量方程)：其中，P为压力[Pa]，μ为动力粘性系数[kgm-1s-1]，g为重力加速度[ms-2]，Γ为两相流交界面，δ(x-xs)为三维狄拉克δ函数，x是坐标向量，xs是两相流交界面处坐标向量，表面张力项采用连续表面力(continuumsurfaceforce)计算，表面张力项的积分求解按下式计算：其中，Ωi为第i个计算单元，Γ∩Ωi为Ωi中的两相流交界面部分，σ为两相流交界面张力，κ为两相流交界面的曲率系数，n为两相流交界面单位法向矢量，α1为相1的体积分数，两相流交界面的曲率根据体积分数α1计算：(3)状态方程：ρi＝ρ0i+ψiP(5)其中，ρ0为标准密度[kgm-3]，ψ为压缩性[s2m-2]，ψ＝1/c2，c为在流体中声音传播的速度[ms-1]，根据不同相在空间的体积分数，有：其中，α1+α2＝1，α2为相2的体积分数；(4)相连续方程：其中，Ur为相对速度，Ur＝U1-U2，dgdt为压缩项，进一步地，所述使用有限体积法离散可压缩纳维斯托克斯方程组，通过压力修正法求解离散后的代数方程组，迭代得到液舱内可压缩流体晃荡的流速场和压力场的收敛解，包括：—在每一时刻的计算中，将上一时刻计算得到的压力场代入可压缩纳维斯托克斯方程，求出临时速度场；—将动量方程代入连续性方程得到压力方程，并将临时速度场代入压力方程，求解出所述临时速度对应的压力场；—求解每个单元的体积分数、密度和运动粘度系数；—利用所述临时速度对应的压力场代入动量方程更新速度场；—判断当前时刻，所述临时速度对应的压力场和更新后的速度场是否收敛；若不收敛，将更新后的速度场作为临时速度，返回至所述的“将动量方程带入……求解出所述临时速度对应的压力场”步骤，迭代计算；若收敛，结束当前时刻计算，进入下一时刻，重复上述计算步骤。进一步地，所述基于拓扑优化方法并结合带有自由液面的可压缩两相流运动算法，以所述合力为目标函数、所述隔板的渗水率为优化变量对所述阻晃隔板的渗水率进行最优控制，所述渗水率为所述阻晃隔板上挖空面积与阻晃隔板总面积的比值，包括：三维液舱阻晃隔板形状优化的目标函数是两平行于隔板的垂直侧壁所感受到的合力的泛函，优化的最终目标是使两垂直侧壁所受压力合力最小，隔板上每个网格上的渗水率作为优化参数，优化约束条件是渗水率必须在0.0与1.0之间；基于拓扑优化方法并结合带有自由液面的可压缩两相流运动算法，形成隔板拓扑优化模块，对每一时刻，隔板渗水率进行优化，进而实现对所述阻晃隔板的渗水率的最优控制。进一步地，所述基于拓扑优化方法并结合带有自由液面的可压缩两相流运动算法，形成隔板拓扑优化模块，对每一时刻，隔板渗水率进行优化，进而实现对所述阻晃隔板的渗水率的最优控制，包括：—设定初始渗水率η和优化开始时刻Tstart；—当激励时间t≤Tstart(t＝t+Δt，Δt是时间步长，t为激励时长)，根据物理参数、初始条件和边界条件，调用带自由液面的可压缩计算流体力学模块计算流场参数，记录t＝Tstart时，流场参数和初始目标函数J0，Jmin＝J0；—当激励时间t>Tstart，在每一时刻上的计算中，首先调入优化算法，优化渗水率，用优化后的渗水率更新渗水率，再调用带自由液面的可压缩计算流体力学模块计算当前时刻目标函数J*；—判断当前时刻，渗水率是否最优，若J*≥Jmin，返回到所述的“当激励时间t>Tstart……再调用带自由液面的可压缩计算流体力学模块计算当前时刻目标函数J*”步骤，迭代计算，若J*<Jmin，Jmin＝J*，结束当前时刻计算，进入下一时刻(t＝t+Δt)；—本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制可压缩两相流晃荡的隔板优化方法，其特征在于包括：基于有限体积法并结合流体体积法，求解可压缩纳维斯托克斯方程组，得到液舱内加入阻晃隔板后可压缩流体晃荡的流速和液舱侧壁感受到的合力；基于拓扑优化方法并结合带有自由液面的可压缩两相流运动算法，以所述合力为目标函数、所述隔板的渗水率为优化变量对所述阻晃隔板的渗水率进行最优控制；所述渗水率为所述阻晃隔板上挖空面积与阻晃隔板总面积的比值；根据所述最优渗水率确定所述阻晃隔板形状。

【技术特征摘要】
1.一种抑制可压缩两相流晃荡的隔板优化方法，其特征在于包括：基于有限体积法并结合流体体积法，求解可压缩纳维斯托克斯方程组，得到液舱内加入阻晃隔板后可压缩流体晃荡的流速和液舱侧壁感受到的合力；基于拓扑优化方法并结合带有自由液面的可压缩两相流运动算法，以所述合力为目标函数、所述隔板的渗水率为优化变量对所述阻晃隔板的渗水率进行最优控制；所述渗水率为所述阻晃隔板上挖空面积与阻晃隔板总面积的比值；根据所述最优渗水率确定所述阻晃隔板形状。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述基于有限体积法并结合流体体积法，求解可压缩纳维斯托克斯方程组，得到所述液舱内加入阻晃隔板后可压缩流体晃荡的流速和所述液舱侧壁感受到的合力，包括：建立添加阻晃隔板的液舱计算模型并采用六面体结构化网格划分计算域，隔板上每个网格均具有所述渗水率；设置两种等温不混溶可压缩流体计算域、自由液面高度、气体和流体的密度、两相流的运动粘度系数物理参量；根据所述流体计算域、液面高度和液舱主尺度计算自由液面晃荡的固有频率，流经隔板的流体相对速度始终为0，给出边界条件和初始条件；根据所述自由液面晃荡的固有频率设置液舱晃动激励频率，使得激励频率在逼近共振频率，采用动网格技术模拟液舱受迫往复振荡的工况，阻晃隔板与液舱具有相同的运动；建立所述可压缩流体运动的纳维斯托克斯方程组，选择可压缩流体体积法追踪和捕捉可压缩两相流界面，使用有限体积法离散可压缩纳维斯托克斯方程组，通过压力修正法求解离散后的代数方程组，迭代得到液舱内可压缩流体晃荡的流速场和压力场的收敛解；对所述液舱侧壁处压力场积分，进而给出所述液舱侧壁所感受到的合力。3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述可压缩流体运动的可压缩纳维斯托克斯方程组，包括：(1)连续性方程∂ρ∂t+▿·(ρU)=0---(1)]]>其中，ρ为密度[kgm-3]，U为流速[ms-1]，t为时间[s]；针对可压缩流体，不同液相或气相的连续性方程：∂ραi∂t+▿·(ραiUi)=0---(2)]]>其中，下标i为相，α为气体或流体在计算单元内的体积分数；(2)可压缩纳维斯托克斯方程(动量方程)：∂ρU∂t+▿·(ρUU)=-▿(P+23μ▿·U)+[▿·(μ▿U)+▿U·▿μ]+ρg+∫Γσκδ(x-xs)ndΓ(xs)---(3)]]>其中，P为压力[Pa]，μ为动力粘性系数[kgm-1s-1]，g为重力加速度[ms-2]，Γ为两相流交界面，δ(x-xs)为三维狄拉克δ函数，x是坐标向量，xs是两相流交界面处坐标向量，表面张力项采用连续表面力(continuumsurfaceforce)计算，表面张力项的积分求解按下式计算：∫Γ∩ΩiσκndΓ(xs)=∫Ωiσκ▿α1dV---(4)]]>其中，Ωi为第i个计算单元，Γ∩Ωi为Ωi中的两相流交界面部分，σ为两相流交界面张力，κ为两相流交界面的曲率系数，n为两相流交界面单位法向矢量，α1为相1的体积分数，两相流交界面的曲率根据体积分数α1计算：(3)状态方程：ρi＝ρ0...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫志军，翟钢军，吴锤结，关晖，王金城，徐潜岳，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21