基于FLUENT动网格的正弦压力发生器仿真分析

苏怀维 张大有 毛瑞芝

(1.北京理工大学，北京100081； 2.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

为准确获取压力传感器的动态特性，需要对压力传感器进行动态压力校准。目前国内广泛采用的校准方法主要有阶跃压力校准、脉冲压力校准和正弦压力校准。正弦压力校准方法是最理想的动态校准方法[1]，是检验压力传感器稳定性、可靠性的最佳手段。在动态校准中，正弦压力装置最关键的问题在于如何产生一个稳定、准确，并足以激发传感器动态特性的正弦压力信号。基于不同原理产生正弦压力信号的装置主要有进口调制正弦压力发生器、出口调制正弦压力发生器以及进出口双向调制正弦压力发生器等。目前对正弦压力发生器的结构优化与分析大都基于实际的测试试验，成本较高，操作复杂，而且很难通过试验工具来检测压力腔内部的流场情况，因此探索一种能够模拟正弦压力发生器工作过程的数值分析方法具有重要意义。

本文基于所设计的一种具有滤波特性的新型正弦压力发生器，以FLUENT仿真软件为计算平台，运用FLUENT动网格技术和UDF方法对正弦压力的发生过程进行动态数值仿真计算，分析了正弦压力腔内部流场的流动情况及压力变化规律，为正弦压力发生器的优化设计提供了一定的理论参考。

2 装置结构及工作原理

所设计的具有滤波特性的新型正弦压力发生器由正弦压力发生腔、压力室主架、机械滤波器、开孔旋转圆盘等组成。正弦压力发生腔结构示意图如图1所示，它包括主副结构正弦压力腔体，其两侧分别为副正弦压力腔和主正弦压力腔，在副正弦压力腔和主正弦压力腔之间相连通的通道内放置有机械滤波器；副正弦压力腔顶部和底部分别开了螺纹孔以便于安装被测传感器和标准传感器；主正弦压力腔顶部和底部分别开通孔形成进气口和排气口；主副结构正弦压力腔体的正弦压力腔部分固定在压力室主架中部开有的小孔内；压力室主架的顶部开有气体入口，底部开有两个排气方孔。

图1 正弦压力发生腔结构示意图Fig.1 Sine pressure generating chamber structure diagram

该新型正弦压力发生器属于出口调制式，即通过周期性地改变气体出口面积来实现发生腔内压力的正弦变化。恒压稳定的气流通过进气口进入压力室，压力室另一端开有两个均匀长方孔，并与开有均匀圆孔的旋转圆盘外侧面相接触。气体通过压力室排气长方孔，经旋转盘上的圆孔排出。排气面积由转盘上圆孔与压力室长方孔的相对位置决定。当转盘匀速转动时，排气口开启和关闭的面积按正弦规律变化，进而导致排出气室的气体流量也按正弦规律变化，这就引起了气室内压力也按相应的正弦规律变化。当改变旋转圆盘的转速时，气室内的正弦压力信号的频率也随之改变。

主正弦压力腔内的正弦压力信号通过引压腔进入副正弦压力腔，引压腔内放置有专用机械滤波器(如图2所示)。通过机械滤波器的作用，即可抑制高次谐波，避免高频正弦压力波形严重失真，从而在副正弦压力腔内获得所需要的稳定正弦压力信号。

图2 新型正弦压力发生器滤波结构Fig.2 New sine pressure generator filter structure

3 模型建立及求解

为通过数值模拟的方法真实地反映出正弦压力腔内部压力变化过程，采用FLUENT动网格技术和UDF方法对所建立的正弦压力腔三维简化模型进行求解计算。

3.1 模型建立

利用UG三维建模软件根据新型正弦压力发生腔的气道尺寸建立三维流场计算区域。为减少运算量，节约运算时间，同时便于后期动网格处理，主正弦压力腔的排气口简化为一个通孔，建立的气道三维几何模型如图3所示。

图3 正弦压力腔气道三维几何模型Fig.3 Three-dimensional geometric model of sine pressure chamber airway

3.2 网格划分

利用ANSYS Workbench环境中的网格划分组件Mesh生成有限元网格。采用混合网格技术对三维几何模型进行网格划分，即对正弦压力腔体部分采用非结构化网格划分，活动阀采用结构化网格进行划分(图4)。为提升计算精度，运用局部控制选项Sizing控制排气口管道和活动阀的网格尺寸为0.1mm。整个流场计算区域网格划分结果如图5所示。

图4 活动阀网格Fig.4 Active valve mesh

图5 气道流场区域网格划分图Fig.5 Airway flow field area meshing map

3.3 求解设置

旋转圆盘匀速旋转时，主正弦压力腔排气口面积以正弦规律周期性变化，为便于对整个流场区域进行动网格分析以及运用UDF定义动网格的运动，将旋转圆盘的匀速旋转运动状态简化为一方形活动阀的往复匀速直线运动状态。同时，FLUENT求解时做如下假设：

a)不考虑摩擦力和气体泄露；

b)气体为理想气体；

c)满足气体流量的连续性条件；

d)忽略温度因素的影响。

3.3.1 流动属性设置

启动FLUENT三维单精度求解器，FLUENT求解算法包括基于压力(Pressure-Based)和基于密度(Density-Based)两种，本文采用压力求解器。由于存在移动的壁面，因此将时间项设置为Transient，即非定常流。

3.3.2 材料属性和边界条件设置

由于正弦压力腔内的流动属于可压缩流动，因此设置材料参数时应选择ideal-gas(理想气体)。将发生腔进气口和排气口边界条件分别设置为压力进口和压力出口，入口压力根据所分析的压力点设置为不同值，出口压力默认为0kPa，保留其它默认设置。

3.3.3 动网格参数设置

正弦压力发生器工作时，压力腔排气口周期性开启与闭合，即排气口固体壁面边界是随时间变化的，因此需采用动网格技术来实现排气口状态的周期性改变。由于方形活动阀采用结构化网格进行划分，因此在动网格计算过程中，网格的动态变化过程应采用Smoothing(弹簧光滑模型)和Layering(动态分层模型)进行计算。在Dynamic Mesh Zones(动态区域)定义动网格的相关区域。定义活动阀的下壁面为Rigid Body(刚体运动)，四周壁面及上壁面为Deforming(变形)，动网格区域运动过程通过编写用户自定义函数UDF来控制[2]。

在预览网格运动时，根据分析频率设置相应的时间步长和时间步数，即可动态显示活动阀周期性开启关闭过程中的网格更新状态，从而动态模拟正弦压力信号的产生过程，活动阀动网格区域周期性更新过程如图6所示。

图6 动网格更新过程Fig.6 Dynamic mesh update process

3.3.4 求解器设置与求解

基于压力求解器的求解算法主要包括分离式算法和耦合式算法。对于分离式算法，FLUENT提供了SIMPLE、SIMPLEC、PISO和Fractional Step四种压力速度耦合算法，本文采用SIMPLE算法。各流场迭代的亚松弛因子保持默认设置，因为这些默认设置都是根据各种算法的特点优化得出的。

初始化流场，设置残差监视器。本文主要关心的是在活动阀运动过程中，正弦压力发生腔内压力和排气口质量流量随时间的变化，因此还需设置相应的压力和流量监视器。采用压力进口边界条件对流场进行初始化，设置静压计算初始流场。流场初始化后，根据各分析正弦信号频率点设置相应的时间步长和迭代步数，单击Calculate开始迭代计算。

4 数值计算结果分析

FLUENT动网格技术可以对正弦压力发生腔排气口面积周期性变化时其内部流场的流体动力学特性进行分析，从而捕捉流场特性的瞬时变化，为正弦压力发生器设计及其改进提供参考。由此根据分析需要，设置五个面平均压力分析面A、B、C、D、F和质量流量分析面E，图7是各分析面所在位置。在FLUENT完成计算后，将生成的数据文件运用MATLAB即可绘出排气口质量流量变化曲线以及各分析面压力变化曲线。

图7 分析面定义Fig.7 Definition of Analysis surface

4.1 排气口质量流量

由正弦压力发生器工作原理可知，排出气室的气体质量的改变直接影响着正弦压力腔内压力的变化[3]。利用动网格技术和UDF控制排气口E面面积以正弦规律变化，即可通过监测该分析面处质量流量随时间的变化关系来验证该处气体质量流量是否按正弦规律变化，进而得出其内部流场的压力变化关系。

图8是进气口恒压150kPa(绝压)时分析频率为10Hz、100Hz、1000Hz、2000Hz的排出气体质量流量变化曲线。从图中可以看出，忽略迭代过程中残差变化的影响，排出气体的质量流量近似是按给定频率的正弦规律变化的。仿真过程中，当网格更新至排气口面积为0时，流出气体的质量流量为0；当网格更新至排气口面积最大时，流出气体质量流量达到最大值,这与实际正弦压力发生器的工作机制较为吻合。

4.2 主副正弦压力腔压力波形

图9是进气口恒压150kPa(绝压)，排气口开闭频率为1500Hz时分析面A、B、C、D、F处的压力波形。从图中可以看出，由于排气口处气体回流现象和气体在正弦压力腔内的反射扰动，使得主正弦压力腔内分析面A和B处的正弦压力波形含有高次谐波成分而出现波形失真，传感器感测面D和F处能够产生正弦压力信号。数值结果表明，主正弦压力腔内的失真信号经过机械滤波器后，高次谐波被抑制在副正弦压力腔外，因此副正弦压力发生腔内能够产生稳定的正弦压力信号。

图8 恒压150kPa,分析频率分别为10Hz，100Hz，1000Hz，2000Hz时排气口质量流量变化曲线Fig.8 Constant pressure 150kPa, the analysis of the mass flow rate of the exhaust port when the analysis frequency is 10Hz, 100Hz, 1000Hz, 2000Hz

图9 排气口开闭频率1500Hz，进气口恒压150kPa(绝压)时各分析面处波形 Fig.9 Waveform of the opening and closing frequency of the exhaust port is 1500 Hz, and the waveform of each analysis surface is at the constant pressure of the inlet port of 150 kPa (absolute pressure)

5 结束语

本文通过FLUENT动网格技术和UDF方法对正弦压力发生器进行了动态模拟，得到了其主副正弦压力腔内流场的压力以及压力腔出口面流出气体质量流量随时间的变化规律。数值仿真结果表明，本方法能够较为真实地模拟出正弦压力发生器的工作过程，验证了该方法对正弦压力发生器研究分析的可行性，为正弦压力发生器的性能预测和结构优化提供了一定的参考依据。