液滴对降落伞织物冲击的数值研究
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第19卷 第24期 2019年8月1671—1815(2019)024 ̄0405 ̄05 科 学 技 术 与 工 程ScienceTechnologyandEngineering Vol19 No24 Aug.2019ⓒ 2019 SciTechEngrg
引用格式:安 蕾ꎬ郭琪磊ꎬ孙 鹏.液滴对降落伞织物冲击的数值研究[J].科学技术与工程ꎬ2019ꎬ19(24):405 ̄409AnLeiꎬGuoQileiꎬSunPeng.Numericalsimulationsonimpactofdropletonparachutefabric[J].ScienceTechnologyandEngineeringꎬ2019ꎬ19(24):405 ̄409
液滴对降落伞织物冲击的数值研究
安 蕾1 郭琪磊2 孙 鹏2∗(中国民用航空飞行学院模拟机中心1ꎬ航空工程学院2ꎬ广汉618307)
摘 要 为了研究液滴对降落伞织物的冲击作用ꎬ分别建立了液滴的流场网格模型和织物的结构网格模型ꎮ利用试验得到织物的透水率参数ꎬ通过双向流固耦合的方法ꎬ进行了不同工况下液滴冲击织物的数值仿真ꎮ分析了液滴外形的变化特征以及织物所受撞击力的影响因素ꎮ将数值计算结果和试验结果进行对比ꎬ结果表明:数值计算结果与试验结果基本一致ꎬ验证了方法的可行性和正确性ꎮ关键词 液滴 织物 流固耦合 撞击力中图法分类号 V244216ꎻ 文献标志码 A
2019年2月14日收到中国民用航空飞行学院校级科研基金(18ZB0685)资助第一作者简介:安 蕾(1970—)ꎬ女ꎬ汉族ꎬ硕士ꎬ讲师ꎮ研究方向:有限元分析ꎮE ̄mail:anlei@sina.comꎮ∗通信作者简介:孙 鹏(1981—)ꎬ男ꎬ汉族ꎬ硕士ꎬ副教授ꎮ研究方向:飞行器设计ꎮE ̄mail:stewen1981@163.comꎮ 在航空救生、航天回收、物资空投等领域ꎬ将不可避免遇到恶劣气象环境ꎮ在暴风雨环境下ꎬ雨滴对展开的降落伞织物造成冲击ꎬ不仅增加伞降系统质量ꎬ还改变其气动外形ꎬ影响减速效果ꎬ甚至导致开伞失败ꎬ降低了伞降成功率ꎮ因此ꎬ研究液滴对伞降织物的冲击影响具有十分重要的科学和工程意义ꎮ液滴撞击非多孔介质的过程大致可分为铺展阶段、收缩阶段、震荡阶段和平衡四个阶段ꎬ其中在收缩阶段会出现部分反弹或全部反弹ꎮ而撞击对象变为降疏松织物多孔介质时ꎬ受多孔介质吸收和渗透液滴的影响ꎬ液滴在撞击时不再出现收缩和震荡阶段ꎮ所以ꎬ在研究液滴撞击多孔介质时ꎬ更侧重于液滴的渗透过程ꎮ目前ꎬ与此相关的大部分研究都是基于数值方法ꎮAlleborn通过求解多孔介质液滴高度和润湿关系方程研究液滴的铺展和吸收[1]ꎮSikalo等研究了液滴速度、黏度、表面润湿性和粗糙度对铺展特性的影响[2]ꎮAnderson等采用一维浸入/变形模型研究了多孔基体吸水后变形问题[3]ꎮReis等采用标志网格(markerandcellꎬMAC)方法追踪液体域的位置和形状ꎬ结果和试验比较吻合[4ꎬ5]ꎮAlam等[6]、Kim等[7]和Choi等[8]则采用流体体积函数(volumeoffluidꎬVOF)或者水平集 ̄流体体积函数(levelset ̄volumeoffluidꎬLS ̄VOF)耦合的方法进行液滴在多孔基体上铺展和吸收行为的研究ꎮ研究发现ꎬ液滴撞击伞衣织物时ꎬ织物会出现振动现象ꎬ而现有试验方法无法测得液滴撞击力和振动问题ꎬ前述数值方法也没有考虑流固耦合的情况ꎮ因此ꎬ采用双向流固耦合方法ꎬ模拟不同工况下液滴碰撞的变化过程ꎬ获得了丰富的流场和结构场信息ꎬ以及试验手段无法获得的液滴撞击力的变化情况ꎮ1 数学物理模型
11 控制方程流体部分计算采用基于VOF模型的有限体积法进行计算ꎬ其中空气为主相ꎬ水为次相ꎬ连续方程如式(1)所示:∂(αwρw)∂t+Ñ(αwρwvw)=0(1)
式(1)中:αw为水的体积分数ꎬαw=Vw/VcellꎻVw为水所占单元体积ꎻVcell为总体积ꎻρ为密度ꎻt为时间ꎮ空气的体积分数χa则由式(2)计算ꎬ其中两相交界面采用几何重构算法[9]处理:αa=1-αw(2)动量方程如式(3)所示:∂(ρv)∂t+Ñ(ρvv)=-Ñp+Ñ[μ(Ñv+ÑvT)]+ρg+F(3)式中:μ为动力黏度ꎻg为重力矢量ꎻF为表面张力引起的附加动量源项ꎻv为速度矢量ꎻ基于连续表面力(continuumsurfaceforceꎬCSF)模型计算[10]ꎬ而
ρ和μ分别由式(4)、式(5)确定:ρ=αwρw+αaρa(4)μ=αwμw+αaμa(5)此外ꎬ研究对象的雷诺数较小ꎬ因此不考虑湍流模型ꎬ同时也不涉及热力学问题ꎬ因此无需求解能量方程ꎬ流体计算采用压力隐分算子(pressureimplicitsplitoperatorꎬPISO)方法进行耦合求解ꎮ织物计算采用基于有限元方法的瞬态动力学方法求解ꎬ控制方程为M¨x+Ċx+[K]x=F(t)(6)式(6)中:M为质量矩阵ꎻC为阻尼矩阵ꎻK为刚度矩阵ꎻx为节点位移向量ꎻF(t)为载荷向量ꎬ采用Newmark算法进行结构场求解ꎮ12 流固耦合模型采用双向流固耦合方法来实现ꎬ在流固耦合交界面处满足动力学条件及运动学条件:τfnf=τsnsdf=ds{(7)
式(7)中:τ为应力ꎻd为位移ꎻn为交界面法向ꎻ下标f和s分别表示流体和固体ꎮ
图1 双向流固耦合流程图Fig.1 Theflowchartoftwo ̄wayfluidstructureinteraction13 测定织物透水率为了研究织物在受到液滴撞击时的透水特性ꎬ需要测定织物的透水率ꎮ根据国家标准(GB/T24119—2009)[11]的测定方法ꎬ对66格子锦丝绸的透水率进行了测量ꎬ测量结果及拟合曲线如图2所示ꎮ由一维Ergun公式:Δp=μαv+12C2v2()e(8)可拟合得到渗透系数α和压降系数C2ꎬ具体数值如表1所示ꎮ在流场计算中ꎬ将整个流场计算域分成织物渗透域和外流场域ꎬ在渗透域的动量方程ꎬ式(3)中需要增加动量损失项:S=-μαv-C212ρvv
(9)图2 透水率拟合曲线Fig.2 Fittingcurvesofwaterpermeability表1 织物透水性能参数Table1 Waterpermeabilityparametersoffabrics参数名称数值渗透系数α/(10-12m2)748压降系数C2/(108m-1)660织物厚度e/(10-5)800黏度系数μ/(10-3Nsm-1)101 式(9)中:等号右边分别为黏性损失项和惯性损失项ꎮ2 网格模型
为了验证计算结果的正确性ꎬ根据试验数据[12]分别建立液滴的流场和织物的结构场模型ꎬ同时为了减少计算量ꎬ其数值模型采用对称形式ꎮ建立的流场网格模型如图3所示ꎮ流场计算参数如表2所示ꎮ
图3 液滴流场网格模型Fig.3 Meshmodelofdropletflowfield
表2 流场计算参数Table2 Flowfieldcalculationparameters参数名称及单位 数值空气密度/(10-5kgm-3)120黏度/(10-5Pas)182液滴直径/10-3m212密度/(kgm-3)998张力/(10-2Nm-1)740黏度/(10-3Pas)101604科 学 技 术 与 工 程19卷 结构场几何模型如图4所示ꎬ沿织物经纬方向进行加载ꎬ织物密度为533kg/m3ꎬ弹性模量为418×108Paꎮ结构场网格模型如图5所示ꎮ因为网格变形主要发生在织物法线方向ꎬ所以采用弹簧光顺算法实现流场域网格运动ꎮ然而多孔介质域厚度变化会导致透水率发生变化ꎬ为了保证织物厚度始终保持在008mmꎬ采用一对多的耦合数据交换模式:多孔域上下两个表面都定义为耦合面ꎬ其中上表面为主耦合面ꎬ而下表面为次耦合面ꎮ结构场和流场主耦合面实现双向耦合ꎬ而流场次耦合面实现单向耦合ꎮ为了和试验结果进行比对ꎬ计算时采用试验工况ꎬ具体参数如表3所示ꎮ
图4 结构场几何模型Fig.4 Geometricmodelofstructuralfield
图5 结构场网格模型Fig.5 Meshmodelofstructuralfield
表3 实验及计算工况参数Table3 Workingparametersofexperimentandcalculation工况编号液滴撞击速度/(ms-1)织物预紧力/(Nm-1)A1A2A30770200400B1B2B31970200400C1C2C32420200400
3 结果与分析
31 液滴变化外形分析图6为工况A1的计算结果和试验结果对照图ꎮ由图6可见液滴撞击过程几乎和试验相同ꎬ基本可以分为铺展阶段、回弹阶段和震荡阶段三部分ꎮ铺展阶段(0~3)ms:液滴撞击织物的初始时刻ꎬ液滴上部依然保持近似圆球状ꎮ液滴下部开始向四周铺展ꎬ如图6(a)所示ꎮ大约在接触后3ms时ꎬ液滴铺展面的直径达到最大值ꎬ液滴中心出现凹坑ꎬ其顶部液面高度达到最低点ꎬ如图6(b)所示ꎮ回弹阶段(3~10)ms:在液滴铺展面的直径达到最大后ꎬ液滴开始向中心聚集ꎬ液滴中心由凹坑逐渐变为凸起ꎬ如图6(c)所示ꎬ在大约10ms时ꎬ液滴回弹至最高位置如图6(d)所示ꎮ震荡阶段(10ms以后):当液滴回弹至最高位置后ꎬ液滴最高点开始下行ꎬ但是下行的最低位置要比初次高ꎬ铺展面直径也相对要窄一些ꎬ然后继续回弹ꎬ呈震荡现象并逐渐恢复平衡ꎮ
图6 实验与计算的对比Fig.6 Contrastdiagramsofexperimentsandcalculations32 铺展因子分析在研究液滴的变形程度时ꎬ铺展因子是重要的分析参数ꎬ其表达式如式(10)所示:β=DtD0(10)
式(10)中:Dt为液滴在织物表面的瞬时铺展直径ꎻD0为液滴初始直径ꎮ图7为工况A1的试验和计算结果对比图ꎮ由图可见ꎬ液滴在3ms时达到最大铺展因子ꎬ在其后70424期安 蕾ꎬ等:液滴对降落伞织物冲击的数值研究
图7 铺展因子比对Fig.7 Comparisonsofspreadingfactors的回弹和震荡阶段ꎬ铺展因子在小范围震荡后趋于稳定ꎮ33 撞击力分析为了有效捕捉最大撞击力ꎬ在对5ms内的流体计算提高了输出频率ꎮ由计算结果可知ꎬ织物预紧力对撞击力几乎没有影响ꎬ而液滴初始速度的影响比较明显ꎮ图8为不同液滴速度下得到的撞击力的变化曲线ꎮ由图8可见ꎬ液滴在铺展阶段前期便出现峰值ꎬ随后撞击力也呈现震荡趋势ꎬ随撞击速度的增加ꎬ撞击力震荡的幅度也增大ꎬ尤其在工况C1时ꎬ撞击力震荡时出现负值ꎬ说明在织物的毛细作用下ꎬ液滴反弹时对织物产生了拉力ꎮ此外ꎬ撞击速度增大ꎬ出现撞击力峰值的时间就越短ꎮ
图8 液滴撞击力变化曲线Table8 Thechangecurvesofdropletimpactforce4 结论
利用双向流固耦合的方法ꎬ模拟了液滴撞击织物的过程ꎬ将计算结果与试验结果进行了对比ꎬ二者基本一致ꎬ以此证明了方法的可行性和正确性ꎮ此外ꎬ还获得了试验手段无法得到的液滴撞击力ꎬ通过分析可以得到以下结论ꎮ(1)液滴在撞击织物时ꎬ会出现铺展、回弹和震荡阶段ꎬ但没有分离阶段ꎬ这与大多数液滴撞击非多孔介质的过程有很大不同ꎮ(2)液滴的撞击速度越大ꎬ铺展效果越明显ꎬ撞击力的峰值越大ꎬ达到撞击力峰值的时间越短ꎮ(3)织物的预紧力对液滴的铺展效果几乎没有影响ꎬ但是预紧力增大ꎬ可以小幅提高撞击力的峰值ꎬ并且提高织物振动的频率ꎬ降低其振幅ꎮ参考文献1 AllebornNꎬRaszillierH.Spreadingandsorptionofadropletonaporoussubstrate[J].ChemicalEngineeringScienceꎬ2004ꎬ59(10):2071 ̄20882 SikaloSꎬTropeaCꎬGanicEN.Dynamicwettingangleofasprea ̄dingdroplet[J].ExperimentalThermalandFluidScienceꎬ2005ꎬ29(7):795 ̄8023 AndersonꎬDanielM.Imbibitionofaliquiddropletonadeformableporoussubstrate[J].PhysicsofFluidsꎬ2005ꎬ17(8):0871044 ReisNCꎬGriffthsRFꎬSantosJM.Numericalsimulationoftheim ̄pactofliquiddropletsonporoussurfaces[J].JournalofComputa ̄tionalPhysicsꎬ2004ꎬ198(2):747 ̄7705 ReisNCꎬGriffthsRFꎬSantosJM.Parametricstudyofliquiddrop ̄letsimpingingonporoussurfaces[J].AppliedMathematicalModel ̄lingꎬ2008ꎬ32(3):341 ̄3616 AlamaPꎬToivakkaaMꎬBackfolkKꎬetal.Impactspreadingandab ̄sorptionofNewtoniandropletsontopographicallyirregularporousma ̄terials[J].ChemicalEngineeringScienceꎬ2007ꎬ62(12):3142 ̄31587 KimWSꎬSangYL.Behaviorofawaterdropimpingingonporoussubstrates ̄examinationofcontact ̄linedrageffect[J].Atomization&Spraysꎬ2016ꎬ26(3):257 ̄2748 ChoiMꎬSonGꎬShimW.Alevel ̄setmethodfordropletimpactandpenetrationintoaporousmedium[J].Computers&Fluidsꎬ2017ꎬ145:153 ̄1669 YongsDL.NumericalMethodsforFluidDynamics[M].NewYork:AcademicPressꎬ198210 BrackbillJUꎬKotheDBꎬZemachC.Acontinuummethodformod ̄elingsurfacetension[J].JournalofComputationalPhysicsꎬ1992ꎬ100(2):335 ̄35411 中国纺织工业协会.机织过滤布透水性的测定:GB/T24119—2009[S].北京:中国标准出版社ꎬ2009ChinaNationalTextileandApparelCouncil.DeterminationofWaterPermeabilityofWovenFilteringFabric:GB/T24119—2009[S].Beijing:StandardsPressofChinaꎬ200912 孙 鹏ꎬ龙 江ꎬ程 涵.雨滴对降落伞织物垂直冲击的实验研究[J].科学技术与工程ꎬ2018ꎬ18(16):289 ̄293SunPengꎬLongJiangꎬChengHan.Experimentalstudyoftheverti ̄calimpactofraindroponparachutefabric[J].ScienceTechnologyandEngineeringꎬ2018ꎬ18(16):289 ̄293804科 学 技 术 与 工 程19卷