飞机油箱晃荡CFD仿真分析FLOW-3D解决方案.ppt

1、大纲背景与需求分析背景与需求分析基于FLOW-3D的晃荡研究分析方案简介晃荡应用实例价值与优势小结需求分析燃油重量特性的改变是飞机重量特性改变的主要因素之一燃油重量特性的改变是飞机重量特性改变的主要因素之一 在不同的飞行状态下，飞机重量特性（重心、重量、转动惯量）会随着燃油的消耗、燃油的晃动、武器的发射等因素而改变。燃油重量特性影响飞机的安全性、飞行品质、飞机性能和经济性等。燃油晃动剧烈，全机重量特性可能超出设计范围。优化隔板、布局设计。油箱剧烈晃荡对油箱结构产生冲击及噪声，严重时甚至导致油箱油箱剧烈晃荡对油箱结构产生冲击及噪声，严重时甚至导致油箱结构破坏结构破坏对于油液晃荡是否会引起飞机失稳

2、、是否对油箱壁面造成破坏等对于油液晃荡是否会引起飞机失稳、是否对油箱壁面造成破坏等一系列问题，在前期开展仿真分析进行预测尤为重要一系列问题，在前期开展仿真分析进行预测尤为重要仿真分析难点油箱晃荡分析难点油箱内内存在液体和气体两相流体，即存在自由液面液体和气体两相流体，即存在自由液面。飞机飞行姿势改变会引起箱内油液的大幅晃荡，燃油会出现翻滚、表面破碎等非线性晃荡油箱内存在许多薄板结构薄板结构，薄板厚度与容器整体长宽尺寸相差较大，将造成整体网格数量非常庞大网格数量非常庞大。某些部件为6 6自由度运动自由度运动，对于复杂的6自由度运动模拟难以通过动网格进行描述。飞机变速或调姿时具有较大的加速度较大的

3、加速度，几秒内可移动数十米甚至数百米；模拟液舱晃荡所需计算域是实际距离的10倍以上，将极大增加计算量。因晃动产生的燃料中电荷的分布和传递电荷的分布和传递,这可能会导致燃料自由表面上燃料蒸气混合物具有电势能成为导电体。晃荡仿真结束后，需要能够方便的提取相关流体仿真结果作为结构强度分结构强度分析和噪声分析的输入参数析和噪声分析的输入参数。大纲背景与需求分析基于基于FLOW-3D的晃荡研究分析方案简介的晃荡研究分析方案简介晃荡应用实例价值与优势小结油箱晃荡分析流程晃荡分析功能模块要求解决飞机油箱晃荡的三维CFD仿真分析难点，需采用以下模型：真正的自由液面追踪模型，即TruVOF模型：可以精确追踪自由

4、液面位置。多网格块模型：可实现局部加密网格，妥善解决计算域内存在细长、细小结构问题。通用运动物体模型，允许计算域中存在多个运动物体，每个运动物体都可以有独立的6自由度运动。无需额外编程即可方便地描述物体的6自由度运动。非惯性坐标系模型：可使计算域大大降低，无需动网格技术。晃荡激励加载十分便捷，无需编程或二次开发。带电流动模型：可模拟晃动产生的燃料中电荷的分布和传递。与结构分析软件、声学分析软件的接口，便于开展后续结构响应分析及声学分析。专业的后处理模块，强大的后处理功能，便于展示及分析相关晃荡分析结果。晃荡分析工具软件Flow-3D简介Dr C.W.Hirtu Dr.C.W.Hirt是自由液面

5、追踪TruVOF(Volume-of-Fluid)方法的开发者，Flow-3D就是充分利用TruVOF来开发。u Flow-3D软件研发从开始到应用于不同科学和工程领域的过程中，一直把重点放在便捷性、适用性上。u 目前，公司拥有遍及全球的商业和政府用户，公司的科学家和高级工程师不断革新和完善FLOW-3D的强大功能，同时他们也为得到广大用户的大力支持而感到无比自豪。30多年来，FLOW-3D在CFD技术和服务支持方面占有领先地位。自由液面的定义液/气交界面气体的压力梯度很小液体的密度比非常大1975 年，Dr.Hirt&Dr.Nichols 发表 VOF 技术，随后进行了改进，称之为TruVO

6、F技术定义流体的液面动作状态追踪流体液面流动时的变化定义流体流动时的边界条件设定TruVOF自由液面FLOW-3D使用的网格为规则的矩形网格该网格具有弹性变形、贴体网格特性；网格或几何体可以随意更改而不相互影响。优势：可以快速生成网格，而不需要考虑几何形状可以按照用户要求（如：改善精度、更小的计算内存等）随意更改网格尺寸、放置位置及数量。网格生成与几何分离的自由网格矩形网格矩形网格FLOW-3D的多块网格技术，具有优良的可塑性和有效性优势：在任意关注区添加网格块，即可实现网格加密，这对几何尺度变化较大的问题非常有用；在任意位置添加网格块并把两个以上网格块相互“连接”，既可以建立流体计算域。这对

7、于“细长”问题非常有用高效的多块网格FLOW-3D采用独特的FAVOR（Fractional Area Volume Obstacle Representation）技术，来定义矩形网格内的几何区域。FAVOR 仅需三个网格就可以描述得很精确，但是传统的 FDM 技术必须以较多的网格数量才能够达到相同的要求。优势容易生成网格不受几何结构变化限制FAVOR可以准确表示几何形状FAVOR传统传统 FDMFLOW-3D中可以描述流体与固体相互作用产生的复杂运动方式，包括主动（固体对流体的作用，如：搅拌、海绵出水）和从动（流体对固体的作用，如：冲刷、停泊）运动物体模型搅拌冲刷海绵出水停泊非惯性坐标系

8、适于飞机油箱自由液面动态特性仿真，通过参考系的变换使计算域不受限制。为了模拟带电粒子的运动、粒子和液体的介电泳动（dielectrophoresis）、电渗透等物理过程，需要考虑到流体中的电场分布，FLOW-3D软件的介电流动模型（Eletro-mechanics model）可以进行流场电荷分布的模拟。介电流动模型可以计算带电粒子的库仑力、电渗透效应、电荷分布等带电流动问题，同时还可以考虑电场引起的热效应。介电流动模型FLOW-3D可将流体流动和固体动力学耦合求解。FLOW-3D的流固耦合模型是利用有限元素法来计算流体域固体交互过程中，固体受到周围流体压力、温度或外在条件所造成的应力分布与线

9、性变形。此外，FLOW-3D具备与有限元软件的耦合接口。目前可以与ABQUS、Nastran、和Marc耦合，做结构应力或热应力分析；具备与声学软件的接口，可开展后续声学模拟。流固耦合及声学计算大纲背景与需求分析基于FLOW-3D的晃荡研究分析方案简介晃荡应用实例晃荡应用实例价值与优势小结潜在的晃动问题 战斗机的重心快速运动油箱结构的完整性评估隔板减少晃动的功效晃动会产生足够的电荷，飞机油箱加油时可能导致火花 Keith Robinson战斗机外挂油箱战斗机外挂油箱晃动问题探讨晃动问题探讨案例1：飞机油箱晃动模拟FLOW-3D可以探讨不同挡板位置及形状对晃荡的影响。油箱挡板案例1：飞机油箱晃动

10、模拟 （1）油箱内某监测点处的压力随时间的变化 （2）油箱内最大压力随时间的变化案例1：飞机油箱晃动模拟 油箱内速度场随时间变化案例1：飞机油箱晃动模拟FLOW-3D可以模拟不同轴向过载、俯仰角、挡板结构、挡板安装位置、初始油量等因素对燃滑油晃荡的影响。FLOW-3D 可以获取晃荡引起的燃滑油质心变化。FLOW-3D 模拟可掌握每个舱室燃料晃动情况，留在每个舱室燃油的体积及油箱的晃动冲击力，以评估舱体材料和结构的完整性。FLOW-3D模拟可了解因晃动产生的燃料中电荷的分布和传递，这可能会导致自由表面上燃料蒸汽混合物具有电势能成为导电体。FLOW-3D模拟可了解燃料电荷分布以确定燃料箱上放电装置

11、的位置。案例1：飞机油箱晃动模拟重量特性（重心、重量、转动惯量）是飞机研制中的一个重要参数，决定飞机的基本尺寸，影响着飞机的安全性、飞行品质、飞机性能和成本费用等。关注点：燃油液面波动状态、燃油XYZ三个方向重心重量转动惯量波动曲线。案例2：飞机燃油重量特性预测输入参数：输入参数：晃荡激励晃荡激励 初始滑油量初始滑油量关注点：关注点：滑油波动状态滑油波动状态 液位变化液位变化案例3：飞机滑油箱供油失效模拟利用FLOW-3D的非惯性参照系模型，对机翼内燃油在飞机经过偏航，俯仰和侧倾加速过程中产生晃动问题进行数值模拟。案例4：飞机机翼油箱晃荡技术路线：为了分析和降低燃油箱晃动噪声，使用FLOW-3

12、D与ACTRAN进行联合仿真，实现快速分析燃油晃动噪声问题。案例5：汽车油箱晃动分析CFD分析分析Solver：FLOW-3DFuel tank：Rigid输出流体压力static PressureiCFD分析分析Solver：ACTRAN-iCFD Fuel tank：Elastic油箱内表面压力脉动Pressure SurfaceAcoustic分析分析Solver：ACTRANUsing IFEM辐射噪声分析SPL、Map案例5：汽车油箱晃动分析油箱运动加速度曲线油箱运动加速度曲线油液初始高度油液初始高度案例5：汽车油箱晃动分析不同时刻液面情况T=0.11sT=0.31sT=0.23sT

13、=0.16sT=0.13sT=0.19s案例5：汽车油箱晃动分析0.31s时刻压力表面提取示意时刻压力表面提取示意案例6：晃荡结构强度校核对于充液容器内液体的晃动研究，仅仅了解液体的晃动特性及其规律是不够的，还需掌握液体与结构之间的相互作用。液体晃动过程中，液体与结构之间可能会发生耦合作用，该耦合作用对载液系统的力学特性具有重要的影响。当晃动较为剧烈时，在液体晃动载荷作用下，结构会产生变形或运动，甚至破坏；因此晃动计算结束后需对结构强度进行校核。晃动计算完成后，将不同时刻的容器内表面压力分布提取出来，传给有限元分析软件，进行结构强度校核。案例6：晃荡结构强度校核 某水箱晃动分析及结构强度校核

14、箱体内表面压力分布 箱体应力分布 箱体变形分布案例7：液态氧燃料贮箱晃荡动画说明在液态氧燃料箱内无约束晃动的危害性。模拟显示液氧在0.1g微重力和3Hz频率激励下储箱无约束晃动行为。储箱是一个10米长+直径为5米形状。FLOW-3D 独有的TruVOF技术可以准确捕捉瞬态行为。颜色标尺表示每个控制体积的速度大小。自由液面结果(充填率=10%,初倾角=20)t=0 s t=20 s t=40 s t=60 s t=80 s H2O2在5英尺直径的隔层舱中的低重力晃动。模拟各种任务方案以找出最差状况及最适设计。及时的喷射推进决定于引擎重新启动前适当的推进燃料设定。案例8：波音X-37航天机H2O2

15、晃荡案例9：微重力状态贮箱燃料管理某航天器燃料贮箱微重力状态下的燃料管理大纲背景与需求分析基于FLOW-3D的晃荡研究分析方案简介晃荡应用实例价值与优势小结价值与优势小结采用FLOW-3D软件可以方便准确的模拟飞机油箱内油液晃荡的问题：FLOW-3D采用真正的自由液面追踪技术，即TruVOF技术，使得自由液面追踪比传统VOF方法更加精确。FLOW-3D采用FAVOR网格技术，同样的几何造型FAVOR仅需少量网格就可以描述得很精确。FLOW-3D网格和几何相互独立，几何模型变更后无需花费大量时间做网格变更。FLOW-3D的多网格块技术允许用户进行局部加密，这对于处理狭长几何结构非常有用。非惯性坐标系模型使得计算域大大降低，无需动网格技术。晃荡激励加载十分便捷，无需编程或二次开发即可进行6自由度的模拟。带电流动模型：该模型可以模拟晃动产生的燃料中电荷的分布和传递。专业的后处理模块FlowSight，无需额外购买Ensight软件，即可拥有该软件强大的后处理功能。价值与优势小结