响应面法在自激脉冲喷嘴结构优化中的应用
发布时间：2021-09-24 09:11
为了提高自激脉冲喷嘴的射流性能,利用CFD对自激脉冲喷嘴进行流场的数值分析,并与响应面法相结合对喷嘴结构进行全局优化。建立以喷嘴进口直径d1、出口直径d2、腔长Lc、腔径Dc为设计变量,以打击力F为目标函数的数学优化模型;通过对建立的数学模型进行分析,获得喷嘴结构的最优参数;最后对优化后的结构进行对比分析,得到优化后的喷嘴在射流性能上有显著的提高,其打击力提高约20%;并且通过分析因素交互作用图,得到各个结构参数对射流性能的影响规律。
【文章来源】：机械科学与技术. 2019,38(09)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
自激振荡脉冲喷嘴结构
纬陕龀迳淞鳎?詈笥上?喷嘴流出。而喷嘴结构直接影响着喷嘴脉冲的性能，因此，本文通过对喷嘴结构的优化，以此来提高其性能，其中碰撞中心角采用最佳碰撞中心角120°［6］。图1自激振荡脉冲喷嘴结构2有限元分析及模型准确性验证2．1有限元模型的建立及边界条件在ICEM中建立喷嘴的二维模型，以文献［2］中所得的最优喷嘴结构为基准建立模型，其结构参数如表1所示，并在距喷嘴出口450mm处建立一个靶盘以模拟实际冲击。利用结构化网格对其进行网格划分，建立的有限元模型如图2所示。表1自激脉冲喷嘴结构参数结构参数d1d2DcLc尺寸/mm5.910.77236.6图2自激脉冲喷嘴有限元模型将网格模型导入Fluent中，采用VOF模型，设置主项为空气，次相为水。上喷嘴设置为压力入口边界条件，进口压力设置为4MP，喷嘴其他边界设置为无滑移壁面边界。外流场右侧边界设置为无滑移壁面边界，其他边界设置为压力出口，压力设置为101325pa。初始条件设置为喷嘴内水的体积分数为1(喷嘴内全是水)，喷嘴外部为空气。由于PISO算法在求解瞬态问题时有明显优势，因此采用PISO算法进行离散方程组求解，离散化方法采用有限体积法，由于QUICK格式在旋转与旋流问题中能够提供更好的准确性，因此离散格式选用QUICK格式，网格密度根据压力梯度变化设为可调。由于本文喷嘴数值模拟为非稳态，因此需进行网格无关性及时间独立性验证。利用表1结构对网格模型进行验证。以靶盘中心的最大打击力作为输出，可得验证结果如表2所示。表2网格无关性检验结果网格数量802648666101156199202打击力/N370423419431由结
机械科学与技术第38卷http://journals．nwpu．edu．cn/表3时间独立性检验结果时间步0.0010.00050.0001打击力/N4224234292．2有限元准确性验证对上文中建立的有限元模型进行仿真分析，可得仿真压力云图如图3所示，以及速度矢量图，如图4所示。由图3与图4可看出明显的涡环和负压腔，其在外流场的喷射情况也与现实中的情况相一致。图3自激脉冲喷嘴总压云图图4自激脉冲喷嘴速度云图为了进一步说明模型的可靠性，以文献［2］中的实验数据对模型进行验证，文献［2］中分别对不同下喷嘴直径d2进行试验，获得打击力的变化规律，以F1、F2、F3、F4分别代表d2为8.4mm、9.6mm、10.8mm、12．0mm时的打击力大小。当入口压力为4MPa时，其规律为F2＞F4＞F3＞F1。利用有限元方法获得相同结构下的打击力大小，其结果如表4所示。由表4可知，有限元方法能很好的表达出喷嘴实际情况下的变化规律。表4不同下喷嘴数值模拟打击力值喷嘴直径d2/mm打击力/N8．2F1=472.409．6F2=493.1610．8F3=477.1112．0F4=487.433响应面法在自激脉冲喷嘴结构优化中的应用3．1实验优化数学模型响应面优化法(ＲSM)是20世纪90年代西方所兴起的一种实验统计方法。通过响应曲面等值线的分析寻求最优工艺参数，将复杂的未知的函数关系，在小区域内用简单的一次或二次多项式模型来拟合因素与响应值之间函数关系的一种统计方法［8］。目前已在众多领域有所运用。响应面法最常用的实验设计方法有中心复合设计(CCD)、Box-Behnken矩阵设计法(BBM)
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用响应面法对自卸车桥壳的接触问题研究[J]. 孙永刚. 机械强度. 2015(06)
[2]响应面法在试验设计与优化中的应用[J]. 李莉,张赛,何强,胡学斌. 实验室研究与探索. 2015(08)
[3]基于FEM和RSM的深穴圆柱滚子优化设计[J]. 张杰,梁政,韩传军. 计算力学学报. 2015(03)
[4]自激脉冲喷嘴装置试验研究[J]. 王健,李江云,关凯. 工程热物理学报. 2014(04)
[5]自激喷嘴多频脉冲效果的试验研究[J]. 王健,李江云,关凯,马天佑. 工程热物理学报. 2013(03)
[6]基于逐步回归分析的随机响应面法[J]. 杨绿峰,杨显峰,余波,李朝阳. 计算力学学报. 2013(01)
[7]用自适应粒子群算法求解自激脉冲喷嘴结构参数模型[J]. 周利坤,刘宏昭. 吉林大学学报(工学版). 2012(06)
[8]压力机杆系优化求解的变量循序组合响应面法[J]. 谢嘉,赵升吨,梁锦涛,马海宽. 西安交通大学学报. 2012(05)
[9]自激振荡脉冲射流喷嘴频率特性实验研究[J]. 唐川林,胡东,裴江红. 石油学报. 2007(04)
[10]自激振荡脉冲喷嘴结构参数配比试验研究[J]. 王乐勤,王循明,徐如良,李江云. 工程热物理学报. 2004(06)
硕士论文
[1]基于响应面法的涡轮钻具叶片优化设计与研究[D]. 余世敏.西南石油大学 2016
本文编号：3407491
【文章来源】：机械科学与技术. 2019,38(09)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
自激振荡脉冲喷嘴结构
纬陕龀迳淞鳎?詈笥上?喷嘴流出。而喷嘴结构直接影响着喷嘴脉冲的性能，因此，本文通过对喷嘴结构的优化，以此来提高其性能，其中碰撞中心角采用最佳碰撞中心角120°［6］。图1自激振荡脉冲喷嘴结构2有限元分析及模型准确性验证2．1有限元模型的建立及边界条件在ICEM中建立喷嘴的二维模型，以文献［2］中所得的最优喷嘴结构为基准建立模型，其结构参数如表1所示，并在距喷嘴出口450mm处建立一个靶盘以模拟实际冲击。利用结构化网格对其进行网格划分，建立的有限元模型如图2所示。表1自激脉冲喷嘴结构参数结构参数d1d2DcLc尺寸/mm5.910.77236.6图2自激脉冲喷嘴有限元模型将网格模型导入Fluent中，采用VOF模型，设置主项为空气，次相为水。上喷嘴设置为压力入口边界条件，进口压力设置为4MP，喷嘴其他边界设置为无滑移壁面边界。外流场右侧边界设置为无滑移壁面边界，其他边界设置为压力出口，压力设置为101325pa。初始条件设置为喷嘴内水的体积分数为1(喷嘴内全是水)，喷嘴外部为空气。由于PISO算法在求解瞬态问题时有明显优势，因此采用PISO算法进行离散方程组求解，离散化方法采用有限体积法，由于QUICK格式在旋转与旋流问题中能够提供更好的准确性，因此离散格式选用QUICK格式，网格密度根据压力梯度变化设为可调。由于本文喷嘴数值模拟为非稳态，因此需进行网格无关性及时间独立性验证。利用表1结构对网格模型进行验证。以靶盘中心的最大打击力作为输出，可得验证结果如表2所示。表2网格无关性检验结果网格数量802648666101156199202打击力/N370423419431由结
机械科学与技术第38卷http://journals．nwpu．edu．cn/表3时间独立性检验结果时间步0.0010.00050.0001打击力/N4224234292．2有限元准确性验证对上文中建立的有限元模型进行仿真分析，可得仿真压力云图如图3所示，以及速度矢量图，如图4所示。由图3与图4可看出明显的涡环和负压腔，其在外流场的喷射情况也与现实中的情况相一致。图3自激脉冲喷嘴总压云图图4自激脉冲喷嘴速度云图为了进一步说明模型的可靠性，以文献［2］中的实验数据对模型进行验证，文献［2］中分别对不同下喷嘴直径d2进行试验，获得打击力的变化规律，以F1、F2、F3、F4分别代表d2为8.4mm、9.6mm、10.8mm、12．0mm时的打击力大小。当入口压力为4MPa时，其规律为F2＞F4＞F3＞F1。利用有限元方法获得相同结构下的打击力大小，其结果如表4所示。由表4可知，有限元方法能很好的表达出喷嘴实际情况下的变化规律。表4不同下喷嘴数值模拟打击力值喷嘴直径d2/mm打击力/N8．2F1=472.409．6F2=493.1610．8F3=477.1112．0F4=487.433响应面法在自激脉冲喷嘴结构优化中的应用3．1实验优化数学模型响应面优化法(ＲSM)是20世纪90年代西方所兴起的一种实验统计方法。通过响应曲面等值线的分析寻求最优工艺参数，将复杂的未知的函数关系，在小区域内用简单的一次或二次多项式模型来拟合因素与响应值之间函数关系的一种统计方法［8］。目前已在众多领域有所运用。响应面法最常用的实验设计方法有中心复合设计(CCD)、Box-Behnken矩阵设计法(BBM)
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用响应面法对自卸车桥壳的接触问题研究[J]. 孙永刚. 机械强度. 2015(06)
[2]响应面法在试验设计与优化中的应用[J]. 李莉,张赛,何强,胡学斌. 实验室研究与探索. 2015(08)
[3]基于FEM和RSM的深穴圆柱滚子优化设计[J]. 张杰,梁政,韩传军. 计算力学学报. 2015(03)
[4]自激脉冲喷嘴装置试验研究[J]. 王健,李江云,关凯. 工程热物理学报. 2014(04)
[5]自激喷嘴多频脉冲效果的试验研究[J]. 王健,李江云,关凯,马天佑. 工程热物理学报. 2013(03)
[6]基于逐步回归分析的随机响应面法[J]. 杨绿峰,杨显峰,余波,李朝阳. 计算力学学报. 2013(01)
[7]用自适应粒子群算法求解自激脉冲喷嘴结构参数模型[J]. 周利坤,刘宏昭. 吉林大学学报(工学版). 2012(06)
[8]压力机杆系优化求解的变量循序组合响应面法[J]. 谢嘉,赵升吨,梁锦涛,马海宽. 西安交通大学学报. 2012(05)
[9]自激振荡脉冲射流喷嘴频率特性实验研究[J]. 唐川林,胡东,裴江红. 石油学报. 2007(04)
[10]自激振荡脉冲喷嘴结构参数配比试验研究[J]. 王乐勤,王循明,徐如良,李江云. 工程热物理学报. 2004(06)
硕士论文
[1]基于响应面法的涡轮钻具叶片优化设计与研究[D]. 余世敏.西南石油大学 2016
本文编号：3407491
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