一种基于流固耦合的发动机冷却风扇性能确定方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115828454A(43)申请公布日2023.03.21(21)申请号202211460320.6G06F113/08(2020.01)(22)申请日2022.11.17G06F119/14(2020.01)(71)申请人雪龙集团股份有限公司地址315800浙江省宁波市北仑区黄山西路211号(72)发明人周子健段耀龙王新玲虞宁虞雷斌李军辉应闰海上官文斌(74)专利代理机构广州粤高专利商标代理有限公司44102专利代理师江裕强(51)Int.Cl.G06F30/17(2020.01)G06F30/23(2020.01)G06F30/28(2020.01)权利要求书2页说明书6页附图6页(54)发明名称一种基于流固耦合的发动机冷却风扇性能确定方法(57)摘要本发明公开了一种基于流固耦合的发动机冷却风扇性能确定方法，该方法包括以下步骤：按照冷却风扇结构建立三维几何模型；建立所述风扇的有限元模型以及外部流场的有限元模型；将风扇的有限元模型导入有限元软件中赋予材料属性，并设定边界条件；将外部流场的有限元模型导入计算流体动力学软件中，设定湍流模型及边界条件；将耦合面设定为叶片表面，利用领域搜索算法将耦合面上的网格节点进行匹配，通过插值方法在两个耦合系统之间进行物理量的传递；风扇结构和流场的计算结果分别在对应的软件中进行后处理分析。本计算方法在一定程度上克服了由于建模方法的缺陷而导致的单独的有限元模型和计算流体动力学模型不准确的问题，建立了精确的冷却风扇性能计算的流固耦合仿真模型，同时保证了计算精度和计算效率。CN115828454ACN115828454A权利要求书1/2页1.一种基于流固耦合的发动机冷却风扇性能确定方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一、在三维建模软件中建立冷却风扇的几何模型；步骤二、通过前处理软件对冷却风扇的几何模型进行网格划分，生成冷却风扇的有限元模型；根据冷却风扇的有限元模型和气动性能试验台架建立外部流场的有限元模型；步骤三、将冷却风扇的有限元模型导入结构分析软件中，设定材料参数和边界条件；将外部流场有限元模型导入计算流体动力学软件中，设定湍流模型及边界条件；步骤四、设定耦合面及交换的物理量，将耦合面的网格节点进行匹配，实现结构系统和流体系统之间的数据交换，并开始仿真计算，得到冷却风扇结构强度以及气动性能，其中，在进行数据交换时，对结构分析软件设定时间增量步，对计算流体动力学软件采用子循环迭代，结构分析软件将计算流体动力学软件传递的数据作为边界条件计算并将计算得到的数据传递回计算流体动力学软件进行边界更新；步骤五、分别在有限元软件及计算流体动力学软件中对计算结果进行后处理，获得叶片应力分布、变形分布及冷却风扇静压、扭矩、轴功率。2.根据权利要求1所述的基于流固耦合的发动机冷却风扇性能计算方法，其特征在于，步骤二中，所建立的冷却风扇的有限元模型包括风扇叶片模型和托板模型，完整的叶片模型由单个叶片模型旋转复制生成，并与托板模型进行共节点后，生成冷却风扇的有限元模型。3.根据权利要求1所述的基于流固耦合的发动机冷却风扇性能计算方法，其特征在于，步骤二中，所建立的外部流场的有限元模型包括旋转区、过渡区和入口、出口区，旋转区和过渡区采用四面体单元进行离散，入口、出口区采用六面体单元进行离散，网格尺寸由旋转区向过渡区及入口、出口区逐渐增大。4.根据权利要求1所述的基于流固耦合的发动机冷却风扇性能计算方法，其特征在于，步骤二中，将所建立的风扇叶片表面网格进行复制，并分别生成冷却风扇有限元模型及外部流场有限元模型，所述冷却风扇的叶片表面网格节点分布保持一致。5.根据权利要求1所述的基于流固耦合的发动机冷却风扇性能计算方法，其特征在于，步骤三中，采用计算流体动力学软件来求解流场的控制方程，湍流模型采用RNGk‑epsilon湍流模型，采用多重参考系法处理旋转区，采用压力耦合方程组的半隐式方法进行动量方程迭代求解，入口采用质量流量入口，出口采用压力出口。6.根据权利要求1‑5任一所述的基于流固耦合的发动机冷却风扇性能计算方法，其特征在于，步骤四中，选定冷却风扇叶片表面为流固耦合面，在耦合面的网格节点上存在两个系统之间的数据交换，交换的物理量应当满足守恒关系：τf·nf＝τs·nsdf＝ds式中，τ应力，d为位移，n为方向余弦，下标f、s分别代表流体、固体耦合面。7.根据权利要求6所述的基于流固耦合的发动机冷却风扇性能计算方法，其特征在于，耦合面上的数据交换包括：叶片表面网格节点处的“相对压力”，以及叶片变形后的表面网格“节点位置”。8.根据权利要求7所述的基于流固耦合的发动机冷却风扇性能计算方法，其特征在于，对所述“相对压力”施加松弛因子。2CN115828454A权利