汽车淋雨实验室参数化设计与模拟仿真内容
一、 AN软件概述
A N SY S是目前世界顶端的有限元商业应用程序。美国John Sw ans on博士于1970年创建A N—SYS公司后，便开发出了该应用程序，以此用计算机模拟工程结构分析，历经30多年的不断完善和修改，现成为全球的工程应用的应用程序。其版本是AN SYS8.1。
二、参数化设计的必要性
首先根据流体力学和能量转换理论设计淋雨实验室喷淋系统，选择节能效果和经济成本的设计方案。对每个喷头的喷水量进行分析计算，把计算出来的数据录入计算机，利用A N SYS模拟软件，对淋雨试验进行模拟仿真，以达到设计结果的可视化。可以让用户通过可视化的模拟仿真系统直接对设计的实验设备有所了解，并可以根据用户的要求随意调整各个参数，通过人机交互达到改进设计的目的，从而满足不同用户的各种需求。实现缩短设计周期、优化设计方案、节约设计成本的目的。
三、仿真过程
本文主要采用AN SY S软件对淋雨实验室喷淋系统进行仿真分析研究。产品的各项性能均符合国家标准GB／T 12480—90客车防雨密封性试验方法。
1、模型的建立
有限元模型是进行有限元分析的计算模型或数学模型，它为计算提供原始的数据。建模是整个有限元分析过程的关键，模型合理与否将直接影响计算结果的精度、计算时间的长短及计算过程能否完成。由于用管路是轴对称图形，二维模型就能清楚地显示其中水的流动情况，因此为了节省计算机使用空间和减少计算时间，本文利用ANSYS的前处理模块分别建立顶部、侧面各一个管路的二维模型。如图1所示。
2、模型的网格划分
有限元法的基本思想是把复杂的形体拆分为若干个形状简单的单元，利用单元节点变量对单元内部变量进行插值来实现对总体结构的分析，将连续体进行离散化即称网格划分。离散而成的有限元集合将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个模型上进行。因此，网格划分将关系到有限元分析的规模、速度和精度以及计算的成败。实验表明：如果网格划分太稀就会使计算精度不够，达不到预期效果；随着网格数量的增加，计算度逐渐提高，计算时间增加不多；但当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格数量，计算度提高甚微，而计算时间却大大增加。在进行网格划分时，应注意网格划分的有效性和合理性。这样就存在一个网格密度问题，本模型首先采用整体智能网格划分，然后在拐角处进行人工控制网格划分对其进行细化，以便于有限元计算结果符合实际情况。
3、限制边界条件
加载即用边界条件数据描述结构的实际情况，即分析结构和外界之间的相互作用。分析时假定入口流场均匀，且无径向分量。以单级单吸离心清水泵为例，当流量Q=100 m 3／h，扬程h=50 m，转速=2 900 dmin，功率F=22 kW，进口直径d0=100 l-nn'l，泵体耐压P=1．0 M Pa，排水口直径dl=80 l-nn'l，叶轮名义外径d2=200 m m时，按照一元束流理论，可取入1 2I速度为管路里按照公式=Q[A计算所得的速度，轴向和周向速度为零；在所有壁面上施加无滑移边界条件，即所有速度分量均取为零；由于流体按不可压缩处理，且其性质恒定，所以在这种情况下，压力就可只考虑相对值，即在出口处施加的压力边界条件是相对压力为零；由于是湍流分析，可将出口处局部放大，以使流场能得到充分发展。在加载时，边界条件可直接施加在几何模型上，其优点在于当改变有限元网格而重新进行分析时，无需在节点上重新施加边界条件；而通常的做法是将边界条件加载在有限元模型上，这样当改变有限元网格时，必须先删去现有节点上的边界条件，再施加新的载荷，以保证加载的准确性。但要注意：无论采取何种加载方式，AN—SY S求解前都将载荷转化到有限元模型上。因此，加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。
执行主菜单Pr epr oces sor>Loads>Appl y>V e—l oei ty>On Li nes(施加速度在线上)命令；执行主菜单Pr epr ocess or>Loads>A ppl y>Pres sur e DO F>O n Li nes(施加压力自由度在线上)命令。
4、求解过程
我们选择软件默认的直接解法，它只寻求分析的稳定性，并不强调求解的速度，而且对计算机的内存要求不高，在求解器处理每个单元时，同时进行整体矩阵的组集和求解。在进行数值模拟时，存在着劣质网格及流动现象本身不稳定等因素，有必要采取措施提高收敛性，使求解达到稳定。AN SYS程序提供的常用工具有松弛系数、惯性松弛、人工粘性、速度限值和面积积分阶次等。松弛系数(FLD队25)的值是介于0和1之间的小数，它表示旧结果与附加在旧结果上形成的新结果的最近一次计算值之问的变化量。采用小的松弛系数可减小解的振荡，提高稳定性，但会导致收敛速度降低，迭代次数增加，所以可在初始迭代计算中，采用小的松弛系数来减小不适当的初始值引起的计算不稳定，当迭代一定次数后，将以上结果作为初始值继续迭代时，可取较大的松弛系数以提高收敛速度。模拟中速度项松弛系数、压力项系数(PRES)、湍流松弛系数(EN KE)的取值依据A NSY S软件给出的标准值，如图2所示。
当求解过程中发生舍人误差时，惯性松弛(FLDAT A 26)就可能对结果产生影响，它以所加项分母的形式出现，值越小，所起的作用越大。人工粘性(V Isc)用在梯度较大的区域以平抑速度解，它有助于可压缩问题的收敛，也有助于对有分布阻力的不可压缩问题的速度解进行平抑。模拟中动量(M OM E)、压力(P砥强)和涡流(TU RB)的惯性松弛、温度惯性松弛及人工粘性(V ISC)的取值参照图3所示。对于不可压缩问题，应使人工粘性的幅值与有效粘性的幅值处于相同的数量级。程序中默认的用于计算单元面积积分的阶次是单点积分，对于轴对称问题，该值设为2，这样可使含有异常形状单元的问题收敛到更的解。在FLO TRA求解过程中，程序在每一次总体迭代里对每一个自由度计算出一收敛监测量。包括：速度(Ⅵ(、V Y、v z)、压力(PI也S)、温度(TEM P)、湍流动能(EN K E)和动能耗散率(EN DS)。在批处理或交互式运行过程中，当求解进行时，程序的图形求解跟踪GST功能将实时显示出所计算的收敛监测量。图4为本模拟进行稳态图3惯性松弛系数的取值C um ulative lnterati o n N um ber侧求解时的GST图形。
5、后处理
后处理是将计算所得的结果可视化。AN SYS有2个后处理器：①通用后处理器，它只能观看整个模型在某一时刻的结果；②时间历程后处理器，可观看模型在不同时间的结果。本文采用通用后处理器进行求解。图5为的管路内的流体流线图。我们可以更改其参数，如改变水泵的泵人流量或改变管路直径大小，即改变进口速度的值，得出不同流量下的流线图和喷淋管路中各个喷嘴出口流体流速的径向分布曲线图，进而比较各个喷嘴的流速是否均匀。
AN SYS软件具有较强的后处理功能，通过数值计算，对计算结果进行后处理后可得到喷淋管路中各个喷嘴出口处流体流速的径向分布曲线图，如图6所示。图中横坐标为测点在喷嘴出口横截面上所处位置的相对半径，纵坐标为该点的轴向速度。http://www.zhpct.com
