安全气囊织物动态透气性的数值模拟＊

徐静静,马 亮,王新厚

(东华大学 纺织学院,上海 201620)

安全气囊织物动态透气性的数值模拟＊

徐静静,马 亮,王新厚

(东华大学 纺织学院,上海 201620)

将安全气囊织物视为多孔薄膜,基于PorousJump模型对其动态透气性进行非稳态数值模拟,得到了测试管道中的流场分布情况,并最终得到安全气囊织物动态透气量.利用自行设计的安全气囊织物动态透气装置对其动态透气的数值模拟结果进行验证,结果表明数值模拟结果与实验结果吻合.

安全气囊;织物;动态透气性;测试;数值模拟

气囊是汽车安全气囊的一个重要组成部分.气囊的气密性一直是人们研究的重点问题,气囊织物织造工艺中的密度和紧度设计、组织结构的选择以及后整理工艺都是为了使织物达到适当的气密性.织物的气密性是由透气量来反映的,透气量表征了空气透过织物的能力[1].安全气囊从开始展开到完全展开应在35ms之内[2-3],在如此短的时间内要使气囊充满气体,这就要求气囊织物透气量小;但为减缓安全气囊对向前飞出的人体的剧烈冲击,又要求安全气囊具有一定的透气量以使其中的气体能在设定时间(最多自汽车发生碰撞后的10ms)内排出.因此,为了保证安全气囊的使用安全性,就必须做到能精确控制和预测安全气囊织物的透气性.

对于气囊织物动态透气性的研究,目前主要采用实验方法,如 KESHAVARAJ等[4]提出的准定常态的气流充胀方法;WANG等[5]提出的基于激波管实验和理论的测试方法.针对以往测试原理和装置的不足,文献[6]设计了一种气囊织物动态透气性测试装置.然而,实验过程对试样有破坏性,织物试样的消耗量大.随着计算机硬件和软件技术的快速发展,很多流体问题都可以利用数值模拟技术进行模拟分析,数值模拟以代价低、周期短、可重复性高的优点被广泛应用于各个领域.

本文利用压缩空气充胀由夹具固定的气囊织物来模拟气囊的展开过程,然后利用Fluent软件对气囊织物动态透气过程进行模拟,得到测试管道中的流场分布情况,并最终得到安全气囊织物动态透气量.

1 安全气囊织物动态透气测试

文献[6]设计的安全气囊织物动态透气测试装置示意图如图1所示.其中高压气室长为0.7 m,低压气室长为0.5 m,内径均为50 mm,两气室之间由聚酯薄膜间隔,薄膜由一对孔板夹持,待测试的安全气囊织物试样被固定于低压气室的末端,与大气相通.

图1 安全气囊织物动态透气测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the arrangement for measuring the dynam ic permeability of airbag fabric

实验时,打开阀门,高压气体缓慢进入高压气室,当气压达到一定值时,薄膜爆破,高压气室内气体急剧膨胀并迫使周围空气离开它原来占据的位置[7-8],产生充胀气流进入低压气室使气囊织物迅速充胀展开.整个实验过程中高压气室和低压气室内压力由压力传感器 G1和 G2采集,信号经过耦合器放大,传输至数字存储示波器,并存储到计算机.

对低压气室运用气体状态方程,经推导可得织物透气量的求解公式[6]:

式中:Vp为单位时间通过织物的气体质量所对应的大气压下的气体体积;patm为大气压力;A为织物试样的测试面积;L为低压气室的长度;为低压气室内压力随时间的变化情况.

从式(1)可以看出,安全气囊织物动态透气量Q与低压气室的长度L、大气压力 patm、低压气室内压力随时间的变化情况有关.因为 L和 patm均已知,所以只需测得,就可以计算出 Q,而可以由安装在低压气室的压力传感器测得.

锦纶66由于具有热焓量高、初始模量低和弹性好等优良性能,目前仍是安全气囊材料的首选[9].本文选用的锦纶66安全气囊织物,其物理性能如表1所示.

表1 安全气囊织物的物理性能Table 1 Physical characteristics of the airbag fabrics

2 数值模拟

根据安全气囊动态透气性的测试原理,气囊织物动态透气模型简化为:内径为50 mm、长度为0.5 m的低压气室内气体通过安全气囊织物时的透气量.

由于安全气囊织物动态透气过程中低压气室内的压力随时间不断变化,故该问题属于非稳态问题.非稳态问题一般选用稳态数值模拟的结果作为非稳态的初始值进行数值模拟,所以先对安全气囊织物动态透气过程进行稳态的数值模拟.

2.1 安全气囊织物动态透气的稳态数值模拟

多孔介质是指由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小孔隙所构成的物质.织物作为纤维集合体的常用形态,是一种典型的多孔介质材料,空气透过织物,类似于流体流经多孔介质的流动.故气囊织物在模拟中可采用多孔介质模型,即 Fluent软件中的 Po rous Jump模型,此模型适用于比较薄的多孔板或者多孔膜,模型需要设置渗透率、惯性系数和厚度参数.本文中所用织物的多孔介质参数值经测试得到,如表2所示.

表2 多孔介质的参数Table 2 Parameters of the porousmedium

2.1.1 几何模型

由于该模型的几何模型形状和所承受的压力都关于中心轴对称,可将3D问题简化为2D问题来求解,且简化后的2D模型是关于x轴对称的,取1/2建立几何模型.采用Fluent的前处理软件 GAMBIT 2.3进行几何建模,主要考虑该软件建模方便,易于使用.GAMBIT软件建立的几何模型如图2所示.

图2 几何模型Fig.2 Geometric model

2.1.2 网格划分

采用四边形对几何模型进行网格划分,为了对壁面函数法进行实施,需要对近壁面附近网格进行特殊处理,如图3所示,网格有2 685个节点、2 464个单元、5 148个面.

图3 网格划分Fig.3 Meshing

2.1.3 求解器

求解器为耦合求解,计算方式为隐式,时间项为稳态,先求解稳态流动.湍流模型为κ-ε两方程模型.

2.1.4 边界条件

边界条件为:入口为压力入口,其值为实验过程中低压气室的初始压力;出口为压力出口,值为0;气囊织物为多孔介质,输入参数值:渗透率、厚度、惯性系数;其他边界条件为边壁.

2.1.5 求解

选择入口作为初始化条件,开始迭代计算.计算入口与出口质量流量的误差小于误差限5%,说明计算结果已经收敛.稳态流动求解得出测试装置内流体的压力场和速度场的分布.

2.2 安全气囊织物动态透气的非稳态数值模拟

基于Porous Jump模型将安全气囊织物视为多孔薄膜,对测试管道施加动态压力,并以稳态数值模拟的结果作为非稳态的初始值进行非稳态的数值模拟.

气囊织物透气性非稳态数值模拟的时间项选择非稳态,边界条件中入口压力值是随时间变化的.

由于非稳态问题与时间有关,所以必须用一个控制方程来控制入口的压力随时间的变化,此控制方程是用一个用户自定义函数来描述的.通过安全气囊织物动态透气测试装置测得低压气室内压力随时间的变化曲线为一指数曲线,所以设置入口截面上压力变化曲线为一指数曲线,其控制方程为:

式中:p为进口压力;f和g为常数;t为时间.

3 结果和讨论

3.1 动态透气的非稳态模拟结果与讨论

以织物A为例,对其动态透气数值模拟结果进行具体讨论,其中织物A入口压力控制方程为 p=229.28·e-1.5879t.

3.1.1 速度场

由非稳态的数值模拟,可以得到不同时刻测试装置内气流的速度等值线图,取时间 t=0～1.5 s,如图4所示.

图4 不同时刻的速度分布图Fig.4 Velocity profile at different time

从图4可以看出,t=0 s时速度主流核心部分较长;t=1.5 s时速度主流核心部分最短.这是由于入口的速度较大,随着入口的压力和速度减小,主流核心部分逐渐变短.所以在台阶高度固定的情况下,速度主流核心部分长度和入口气流的速度正相关,入口气体的速度大,则速度主流核心部分长度长.

管台阶处的回流区随时间逐渐向台阶处移动,并且回流区的部分也在逐渐缩小,这主要是入口气流速度逐渐减小的缘故;同时,速度场中的边界层也在逐渐向管台阶处移动,气流经过比较短的距离就能调整至充分发展阶段,这也是入口气流速度逐渐减小造成的.

3.1.2 压力场

t=0,0.5,1.0,1.5,2.0 s时对称轴处的压力分布如图5所示.从图5可以看出,随着时间的增加,对称轴处的压力在不断减少,5个不同时刻从入口到测试织物之间,压力均为恒定的值,通过织物时压力下降,直到和大气压力相等.主要是因为入口和测试织物间形成一个相对封闭的空间,这个空间里面的压力保持稳定的值,通过织物时受到织物对气流的摩擦阻力,气流的压力下降,通过织物后压力与大气压相等.

图5 不同时刻对称轴处的压力分布图Fig.5 Pressure prof ilesat different time

3.1.3 透气量

各时刻压力对应的织物处的气流速度,其值相当于气囊织物的动态透气量,织物A的模拟动态透气量结果如图6所示.同理,可以得到织物B和C的动态透气量的模拟值.

图6 安全气囊织物A的动态透气量的模拟值Fig.6 The dynam ic permeability of airbag fabric A resulted from the simulation

3.2 动态透气数值模拟结果与实验结果的对比

为了验证安全气囊织物动态透气数值模拟结果的正确性,将3种安全气囊织物动态透气量的实验值与数值模拟结果作图进行对比,如图7所示.

同等压力下气囊织物动态透气量的实验值与模拟值存在误差,这是因为压力的作用使织物产生变形,经纬纱膨胀拉伸,在织物内形成一些具有一定大小的空隙,空隙的大小与压力的大小、织物的变形情况有关,而模拟过程中多孔介质的渗透率是保持不变的.但其误差在5%以内,可以利用安全气囊织物动态透气的模拟值来表示安全气囊织物动态透气的实验值.

4 结论

图7 3种安全气囊织物动态透气实验值与模拟值的对比Fig.7 The comparison between experimental valueand simulated value of threeairbag fabrics dynam ic permeability

本文将安全气囊织物作为多孔介质模型,对其动态透气进行稳态数值模拟,再将稳态数值模拟的结果作为初始值进行非稳态数值模拟,最终得到气囊织物的动态透气量.使用安全气囊动态透气装置对安全气囊织物动态透气的数值模拟结果进行了验证,结果表明数值模拟结果与实验结果吻合.

通过非稳态数值模拟得到速度场和压力场随时间变化的分布.速度场分布:测试管道内台阶处的分离涡随时间逐渐缩小并向台阶处移动,同时边界层也在逐渐向管台阶处移动,气流经过比较短的距离就能调整至充分发展阶段.压力场分布:随着时间的增加,测试管道内的压力在不断减小,入口与织物间的压力保持恒定的值,通过织物后压力迅速下降直到与大气压相等.

[1] 宿颖峰.安全气囊——具有市场前景的汽车用纺织品[J].新纺织,2005(6):27-29.

[2] 刘春娜,王新厚.安全气囊织物动态透气性的测试研究[J].测试技术学报,2007,21(5):396-399.

[3] 侯大寅,卜佳仙.汽车用安全气囊织物的质量标准及测试方法[J].上海纺织科技,1998,26(6):54-56.

[4] KESHAVARAJ R,TOCK R W,HA YCOO K D.A nalysis of Fabrics U sed in Passive Restraint System s-Airbags[J].Jou rnal of the Textile Institute,1996,87(3):554-571.

[5] WANG X H,KA INUM A M,BAO L M,et al.A Novel App roach for Evaluating the Air Permeability of Airbag Fabrics[J].Textile Research Journal,2006,76(1):66-70.

[6] 马亮,王新厚.安全气囊织物动态透气性与静态透气性的测试[J].测试技术学报,2009,23(3):205-209.

[7] PERRY R H,GREE D W,MALONEY J O.Perry's Chemical Engineers'Handbook[M].6th edition.New Yo rk:McGraw-Hill,1984.

[8] 刘春娜.气囊织物动态透气性能的研究[D].上海:东华大学纺织学院,2007.

[9] 王新厚.安全气囊织物的透气和力学性能[J].纺织学报,2005,26(6):13-14.

Numerical Simulation of the Dynamic Permeability of Airbag Fabric s

XU J ing-j ing , MA L iang , WA N G Xin-hou
( College of Textiles , Donghua University , Shanghai 201620 , China)

The airbag fabric was regarded as porous medium. Based o n the porous jump model , the fluid field dist ribution in the testing pipe was simulated , and the dynamic permeability of airbag fabric was obtained by unsteady numerical simulation. The result s of numerical simulation of dynamic permeability were verified by dynamic permeability test using the tester designed by the aut hor s. It was fo und t hat the dynamic permeability of airbag fabric resulted f rom the simulation agreed well wit h the experiment data.

airbag ; fabric ; dynamic permeability ; test ; numerical simulation

TS106.6

A

2009-11-04

霍英东教育基金会第十届高等院校青年教师基金资助项目(1010740)

徐静静(1984—),女,河北张家口人,硕士,研究方向为安全气囊测试技术.E-mail:jjxu@mail.dhu.edu.cn

王新厚(联系人),男,教授,E-mail:xhwang@dhu.edu.cn

1671-0444(2010)03-0229-04