一种考虑织物透气性的降落伞气动性能分析方法
2018-10-16 点击：
本发明公开了一种考虑织物透气性的降落伞气动性能分析方法，首次根据降落伞外形建立渗透域，在渗透域中采用带有自定义动量源项的控制方程求解，而其他流场域仍然采用一般流场控制方程求解，本发明可以充分考虑了织物透气性对降落伞性能分析的影响，解决了现有计算分析方法结果误差大或适用范围窄的缺点。该方法可以准确有效地模拟伞衣材料透气性，提高降落伞气动性能分析准确性，为降落伞设计和优化提供依据，并减少试验次数，节约财力和物力。
背景技术：
透气性是织物重要的材料属性，在降落伞工作过程中，织物透气性对降落伞气动性能影响很大。在大多数情况下，降落伞气动性能分析通常不考虑织物透气性，采用基于计算流体动力学方法通过求解N-S方程对降落伞气动性能进行分析，但存在较大的误差(可以参考:McQuilling M, Lobosky L, Sander S.Computational Investigation of FlowAround a Parachute Model.Journal of Aircraft, 2011, 48 (I):34-41.或 NoetscherG, Charles R D.Benchmarking Bluff Body Aerodynamics.AIAA2011-2607，2011.)。因此针对织物透气性的数值模拟，国内外学者做了初步研究，现有ALE方法考虑织物透气性能，但误差较大(Aquelet N, Wang J, Tutt B A, et al.Euler-Lagrange Coupling withDeformable Porous Shells, ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference.Vancouver, BC, Canada, 2006, 23 - 27.)。后来又有学者采用多孔介质模拟织物透气性，计算精度虽然得到了提高，但仅仅模拟一维方向透气性，主要适用于简单平面织物透气性模拟，针对外形复杂的三维降落伞绕流计算较难收敛，没有得到广泛应用(可以参考:伞衣织物透气性计算方法，发明专利申请号:CN101727541A)。目前，工程上迫切需要一种可以有效并准确考虑织物透气性的降落伞气动性能分析方法。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是针对降落伞工作过程中存在气流透过织物表面这一现象，提出一种考虑织物透气性的降落伞气动性能分析方法。
本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案:
一种考虑织物透气性的降落伞气动性能分析方法，步骤如下:
步骤一:根据织物透气性试验数据拟合出该织物透气性能公式，获得透气性能参数；
步骤二:将透气性公式中的表征透气性能的粘性系数和惯性系数，换算成一阶阻力系数和二阶阻力系数，自定义动量源项，具体如下:
其中，a、b为透气性能参数，a为粘性系数；b为惯性系数；hf为沿织物表面法向的渗透域平均厚度，h为织物实际厚度；
其次，自定义附加单位动量源项:[0012]Si=-C1V1-C21 V I Vi (2)
其中，Si是1向的动量源项；Vi为i向速度分量；V是速度矢量，I v|为速度矢量的模，i=l, 2，3 ；
步骤三:根据织物外形建立渗透域网格及包围渗透域的一般流场域网格，然后进行降落伞绕流计算，在渗透域网格内采用带有自定义动量源项的N-S控制方程进行求解，而除织物以外的流场域网格采用一般的N-S控制方程求解，其中在渗透域网格内的绕流计算求解过程具体如下:
沿织物法向方向建立厚度为hf的渗透域网格，该渗透域网格用于描述透气性织物，其中动量控制方程为:
下面结合附图对本发明的实施做进一步的详细论述:
首先参考图1所示，本发明的一种考虑织物透气性的降落伞气动性能分析方法具体步骤如下:
步骤一:根据织物透气性试验数据拟合出该织物透气性能公式，获得透气性能参数；
步骤二:将透气性公式中代表透气性能的粘性系数和惯性系数，换算成一阶阻力系数和二阶阻力系数，自定义动量源项；
步骤三:根据织物外形建立渗透域网格及包围渗透域的一般流场域网格，然后进行降落伞绕流计算，在渗透域网格内采用带有自定义动量源项的N-S控制方程进行求解，而除织物以外的流场域网格采用一般的N-S控制方程求解。
为了说明本发明的可行性和准确性，以某型号伞作为实施对象，该型伞主要伞衣材料为K59225型锦丝绸。
第一步:根据织物透气性试验数据拟合出该织物透气性能公式，获得透气性能参数；
采用国产YG461D型数字式织物透气量仪可以测得不同压差下对应的透气量(图2)，根据透气性试验数据，可以拟合出描述织物透气性曲线: [0041]Δ P= (1.05E6.v+4.9E6.ν2).1Ε-4
其中，Λρ表示织物内外流场压差；ν为单位时间单位面积透气量，即渗透速度；Κ59225型锦丝绸的粘性系数a为1.05E6kg/m3.s,惯性系数b为4.9E5kg/m4，而织物实际厚度h为lE-4m。
第二步:将透气性公式中代表透气性能的粘性系数a和惯性系数b，分别换算成一阶阻力系数和二阶阻力系数，自定义动量源项。
首先，定义两个换算参数，一阶阻力系数C1和二阶阻力系数C2,设沿织物表面法向的渗透域平均厚度hf为0.03m，其计算如下:
Cl =i/.1=l_05E6*^^ = 3_15E8
1hIE-4
[0046]C2 =b.^ = 4.9E5= I.4Ε8
2hIE-4
其次，自定义附件单位动量源项:
Si=-C1V1-C21 ν I Vi=-S.15θ8*ν「1.47e8* ν | ν
其中，51是1向的动量损失分项；Vi为i向速度分量；ν是速度矢量，ν为速度矢量的模，i=l, 2，3 ；
第三步:建立渗透域及流场域网格模型，并计算分析。
根据复杂伞衣外形建立厚度为0.03m的渗透域网格以及包围渗透域的流场网格。其中渗透域用棱柱单元划分，而流场域采用四面体单元划分(图3和图4)，流场域入口边界采用速度边界(30m/s)，出口边界为压力出口(1.01E5Pa)，流场壁面采用滑移壁面边界。
在降落伞绕流计算中，流场域采用普通的N-S控制方程求解，而渗透域采用带有自定义动量源项Si的N-S控制方程求解:
Figure CN103544053AD00061
[0054]其中，P为流体密度；t为时间；div()为散度计算；grad表示梯度计算；μ为流体粘性系数；ρ为流场压力；Xi为i向坐标；
最后进行了该伞的定常绕流计算(计算方法可参考:王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用.北京:清华大学出版社:1_267)，当收敛残值小于3E-4时停止计算。
根据计算出的结果 对降落伞气动性能进行分析，该伞稳态时阻力系数为0.776。该伞进行了三次空投试验，阻力系数平均值为0.712，误差小于9%，这说明本发明的分析结果和试验结果较为吻合，计算准确性大大提高。
从计算收敛后的流场速度矢量图中(图5和图6)可以发现流体分别从伞衣边缘绕过伞衣、伞衣透气结构穿过伞衣、织物表面透过伞衣流向尾部,透过周围表面的流体速度明显低于周围透气孔出流速度和自由来流速度，表明本发明所采用的自定义动量源项可有效地模拟织物的透气性情况。
本发明针对可 以有效并准确考虑织物透气性的降落伞气动性能分析这一问题，提出了一种考虑织物透气性的降落伞气动性能分析方法，通过外形复杂的三维降落伞实例分析可以发现:本发明结果准确，适用范围广完全，克服了现有方法误差大或适用范围窄的缺点，完全满足工程需求。
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