一種反射面天線面板風壓系數數值模擬方法與流程

本發明涉及CFD數值仿真領域，特別是一種反射面天線面板風壓系數數值模擬方法。
背景技術：
：在大型高精度天線系統設計中，天線反射面的表面精度是主要技術性能指標之一，它直接影響著天線的電性能。隨著天線口徑的增大，工作頻率的提高，對天線反射面精度要求也越來越高。對于露天工作的天線，風荷載對天線工作有著較大影響。在風荷載作用下，天線反射面會偏離的設計曲面，從而使天線的系統性能，如天線增益、天線副瓣和天線交叉極化等主要指標下降，嚴重失去數據真實性。對于巨型射電望遠鏡結構，由于其反射面面積巨大、實際工作工況多樣(俯仰角、風向角的變化等等)，風荷載的作用更是不可忽略。故對巨型射電望遠鏡結構在風場中風壓分布規律進行了解十分重要。對于大口徑射電望遠鏡，在進行抗風設計時，缺少相關的風洞試驗數據，且在現行規范中找不到合適的風載體型系數。因此，研究大口徑射電望遠鏡結構的風場繞流特性和風壓分布規律非常重要。研究射電望遠鏡天線結構風載荷特性主要有以下四種方法：1.理論分析對于大口徑巨型射電望遠鏡天線結構，不僅受風環境的來流湍流影響，由于體型巨大，巨型反射面結構的鈍體繞流現象尤為顯著，撞擊、分離、再附、尾流作用的特征湍流影響不可忽視，無法將如此復雜多樣的空氣流動完全用解析方法來確定。2.現場實測a.實測周期長、受儀器觀測精度的影響；b.由于不能對氣候、地形等環境條件加以改變和控制，故有很大的局限性；c.安裝數量龐大的傳感器，對射電望遠鏡天線結構本身和射電望遠鏡的觀測精度的影響已不容忽視。3.風洞試驗由于望遠鏡結構的反射面相對較薄，布置測壓管很不方面，導致增大模型厚度造成尺寸效應；此外風洞試驗技術中的動力相似條件很難滿足，也必將帶來試驗誤差。4.數值模擬以CFD為基礎的數值模擬方法具有成本低、可重復操作、便于控制的改變模擬環境條件、結果采集全面、可提供可視化的流場信息；與風洞試驗方法相比，CFD數值模擬方法可不受模型尺度影響，從而克服了風洞試驗中雷諾數相似難滿足的問題。技術實現要素：基于上述問題，本發明的目的在于解決目前反射面天線缺少相關的風洞試驗數據的問題，通過數值模擬方法，確定多個工況下天線面板的分塊風壓系數值。實現本發明目的的技術解決方案是:一種反射面天線面板風壓系數數值模擬方法，包括以下步驟：(1)按照反射面天線面板原型尺寸建立幾何模型，采用Proe三維繪圖軟件建立指定反射面天線面板口徑和焦徑比的旋轉拋物面；(2)將Proe三維繪圖軟件建立的幾何模型導入ICEM-CFD軟件中，建立流場區域；采用非結構化網格劃分流場區域，導出為網格文件；(3)檢查非結構化網格質量，若非結構化網格質量大于0.2，最大偏斜率低于0.9，則進入下一步；否則跳轉至步驟(2)重新進行網格劃分；(4)把步驟(2)生成的網格文件導入到FLUENT軟件中，通過選擇湍流模型、定義邊界條件，進行計算求解得到反射面天線面板風壓節點的風壓系數；(5)將反射面面板節點風壓系數數據以ASCII形式導出，再導入到MATLAB數據處理軟件中；根據已有風洞風壓系數的面板分塊樣式，通過編制MATLAB程序，求出面板分塊區域的平均風壓系數；(6)重復步驟(1)～(5)，得出俯仰角E＝0°、方位角A＝30°，俯仰角E＝0°、方位角A＝60°這兩個工況下的軟件仿真風壓系數值；采用軟件仿真得出的風壓系數值與已有風洞風壓系數值進行對比，驗證軟件數值仿真天線面板風壓系數的可行性。進一步，所述步驟(1)中，采用Proe三維繪圖軟件建立指定反射面天線面板口徑和焦徑比的旋轉拋物面的俯仰角E＝0°，方位角A＝0°。進一步，所述步驟(2)中，建立流場區域通過下述方法實現：2a)計算流場區域的設置包括上游尺寸L1，下游尺寸L2，計算域迎風面寬度B及高度H，計算模型的尺寸為l×b×h，確定計算域設置參數；2b)設定流場區域阻塞率ε不大于3％：式中，D是天線口徑，B是計算域迎風面寬度，H是計算域迎風面高度。進一步，所述步驟(2)中，采用非結構化網格劃分流場區域，在近壁處生成邊界層加密區域，模型表面近壁處至少生成10層邊界層網格，網格由密到疏的過渡比率為1.05-1.2。進一步，所述步驟(4)中，天線面板風壓節點分布，通過下述方法實現：4a)選擇湍流模型為雷諾應力模型：其中，ρ為密度，u'i和u'j為速度脈動分量，t為時間，Cij為對流項，DT,ij為湍動擴散項，DL,ij為分子粘性擴散項，Pij為剪應力產生項，Gij為浮力產生項，φij為壓力應變項，εij為粘性耗散項，Fij為系統旋轉產生項；4b)定義流場區域邊界條件，包括流域入流處采用的FLUENT中的速度進口條件、流域出口邊界采用的完全發展出流邊界條件、區域頂部和兩側采用的對稱邊界條件和區域底部和面板模型表面采用的無滑移的壁面條件；4c)選用SIMPLEC算法，風壓系數Cp的計算公式如下：其中p為在FLUENT中成為表壓，pref為在軟件中設為0，v為參考位置處的風速。進一步，所述步驟4b)中，計算流域入流處采用FLUENT中的速度進口條件(velocity-inlet)，包括計算域入口處的湍流強度I、湍流動能k和湍流耗散率ε，具體表達式如下：l＝100(z/30)0.5其中z、分別是流域中任意高度和對應的平均風速，l為湍流積分尺度，α為地面粗糙度。進一步，所述步驟4b)中，出口邊界條件采用流場任意物理量ψ沿出口法向梯度為零，的完全發展出流邊界條件。進一步，風壓系數Cp為望遠鏡結構上下表面的平均壓力系數的差值：Cp＝Cp_up-Cp_down式中Cp_up為迎風面風壓系數，Cp_down為背風面風壓系數，Cp為風壓系數。進一步，所述步驟(6)中，風壓系數Cp值與已有風洞風壓系數值進行對比仿真誤差通過下式得到：式中CPi為第i塊軟件仿真的風壓系數值，cpi為第i塊風洞實驗得出的風壓系數值。本發明與現有技術相比，具有以下特點：本發明采用數值模擬方法，得出天線面板分塊風壓系數值，以CFD為基礎的數值模擬，可提供可視化的流場信息，具有成本低、可重復操作、便于控制的改變模擬環境條件、結果采集全面的特點。與風洞試驗方法相比，CFD數值模擬方法可不受模型尺度影響，從而克服了風洞試驗中雷諾數相似難滿足的問題。通過對比三個工況下數值模擬方法和風洞試驗得出的分塊風壓系數值，得出軟件仿真得到的結果基本與試驗數據吻合的結論，進而可以豐富多個工況下的風壓系數值，解決了除風洞試驗數據試驗的工況外缺少風壓系數的問題，為天線抗風設計提供數據支持。附圖說明圖1是本發明方法的流程圖；圖2是本發明使用的軟件之間的關系流程框圖；圖3是計算域尺寸設置項目；圖4是ICEM-CFD建立計算域示意圖；圖5是面板附近網格示意圖；圖6是面板分塊樣式；圖7是風洞試驗(E＝0°，A＝0°)得出的風壓系數；圖8是軟件仿真與風洞試驗(E＝0°，A＝0°)風壓系數對比；圖9是軟件仿真與風洞試驗(E＝30°，A＝0°)風壓系數對比；圖10是軟件仿真與風洞試驗(E＝60°，A＝0°)風壓系數對比。具體實施方式下面結合附圖及具體實施案例對本發明做進一步說明。參照圖1，一種反射面天線面板風壓系數數值模擬方法，其包括以下步驟：(1)按照反射面天線面板原型尺寸建立幾何模型。采用原型尺寸能避免尺寸效應可能對結果所產生的影響。由于目前的網格生成技術，對于被復雜的空間桁架結構分割的具有尖角位置的復雜空間流場區域，無法進行有效的網格劃分進行數值求解，而且背架結構并非對風場造成影響的主要因素，因此不對其進行考慮。采用Proe三維繪圖軟件建立指定反射面天線面板口徑、焦徑比的旋轉拋物面(俯仰角E＝0°，方位角A＝0°)，因為已有風洞數據中天線的焦徑比是0.5，為了將軟件仿真的結果和已有風洞數據進行對比，因此采用Proe三維繪圖軟件建立口徑26m，焦徑比f/D＝0.5的天線旋轉拋物面模型，俯仰角E和方位角A均為0°，即風正吹天線。(2)計算流域建立和網格劃分。1)計算流域的確定位于大氣邊界層中的天線面板結構風對其繞流時，處于一個完全開口的流動風場中，但風對天線面板作用的影響具有一定的范圍，在數值模擬時可給定有限的三維計算區域，并確定計算區域各邊界的邊界條件以模擬實際的流動風場。計算流域的確定需要考慮，隨著計算區域的增大，網格數量增加，計算量加大，計算時間增長；然而計算區域過小，則可能導致模擬失真。合理的選擇計算區域有助于模擬結果準確性的提高和計算量的減少。將Proe三維繪圖軟件建立的幾何模型導入ICEM-CFD軟件中，建立流場區域，使用的軟件之間的關系流程框圖見圖2所示。建立流場區域具體步驟包括：①計算流場區域的設置包括上游尺寸L1，下游尺寸L2，計算域迎風面寬度B及高度H，計算模型的尺寸為l×b×h，計算流場區域尺寸如圖3所示，確定計算域設置參數；確定計算域設置參數如下：L1＝5l,L2＝15l,B＝12b,H＝8h考慮到巨型射電望遠鏡的多種工況情況(不同俯仰角、方位角的變化),為實現對計算域的統一設置，選取巨型射電望遠鏡旋轉拋物面反射面的口徑D作為特征尺寸，并令l＝b＝h＝D＝26m，則：L1＝130m,L2＝390m,B＝312m,H＝208m②由于阻塞效應應對結構周圍流場造成干擾，得不到正確的模擬結果，因此通常要求阻塞率不大于3％:其中D為天線口徑，B為迎風面寬度，H為迎風面高度。經計算阻塞率ε＝0.818％≤3％滿足要求；天線反射面結構底部最靠近地面的高度在3m-8m，本例取4m，就是說天線反射面中心高度為17m，天線反射面最高處為30m。建立的計算域如圖4所示。2)網格單元的選擇網格的類型和網格的數量對計算結果的準確性具有很大的影響。非結構化網格因其對模型的自適應性好，可解決較為復雜流場的網格劃分，得到了廣泛的應用。本例選用非平衡壁面函數方法來處理近壁區域的流體運動。在近壁處生成邊界層加密區域。模型表面近壁處至少生成10層邊界層網格。網格由密到疏的過渡比率以1.05-1.2之間為宜。面板模型附近生成網格的樣式如圖5所示。(3)檢查非結構化網格。若網格質量大于0.2，網格最大偏斜率低于0.9，則進入下一步；否則跳轉至步驟(2)重新進行網格劃分，最終網格質量大于0.3，網格最大偏斜率為0.73。(4)若步驟(3)滿足要求，則導出ICEM-CFD生成的網格文件到FLUENT軟件中，進行FLUENT軟件設置。通過選擇湍流模型、定義邊界條件、設置求解控制參數和初始化流場進行計算求解，得到反射面天線面板風壓節點的風壓系數。具體步驟如下：4a)選擇湍流模型：湍流模型選為求解精度最高的雷諾應力(RSM)模型，選用非平衡壁面函數以模擬壁面附近的復雜流動現象。雷諾應力輸運方程：其中，ρ為密度，u'i和u'j為速度脈動分量，t為時間，Cij為對流項，DT,ij為湍動擴散項，DL,ij為分子粘性擴散項，Pij為剪應力產生項，Gij為浮力產生項，φij為壓力應變項，εij為粘性耗散項，Fij為系統旋轉產生項；4b)定義流場區域邊界條件：邊界條件用于定義在流動進口處的流動速度及相關其它標量型流動變量。①入口邊界條件計算流域入流處采用FLUENT中的速度進口邊界條件(velocity-inlet)。該邊界條件適用于不可壓縮流動，對于可壓縮流動問題時會使得入口處的總溫度或總壓有一定的波動，導致非物理結果，所以可壓縮流問題不適合采用速度進口邊界條件。此例為不可壓縮流，可采用以velocity-inlet邊界。需對流動速度v、湍動能k和耗散率ε定義。計算流域入流處采用FLUENT中的速度進口邊界條件(velocity-inlet)。入口處的湍流強度I、湍流動能k和湍流耗散率ε的具體表達式如下:l＝100(z/30)0.5其中z，分別是流域中任意高度和對應的平均風速，z由模型底部開始算起，α＝0.20；l為湍流積分尺度；本例為B類地貌，平均風速剖面、湍流動能和湍流耗散率值采用FLUENT提供UDF(User-DefinedFunction，用戶自定義函數)編制C語言程序與FLUENT作接口實現。②出口邊界條件流域出口邊界條件采用的完全發展出流邊界條件(outflow)：采用流場任意物理量ψ沿出口法向梯度為零，的完全發展出流邊界條件。③計算區域頂部和兩側為對稱邊界條件(symmetry)。④計算區域底部和面板模型表面采用無滑移的壁面條件(wall)。不考慮熱交換，屏蔽能量方程，流體介質是空氣，具有不可壓縮性，密度為常數，材料參數使用缺省值；本例研究天線面板周圍的風場，關心的是風對面板表面的壓力作用，以天線面板迎風面表面的平均壓力值為監測對象，在收斂標準判斷上，除使控制方程的迭代殘余量達到設定值要求外，還要注意對研究對象表面的壓力的監測，當其表面壓力基本不發生變化可認為計算已經進入穩定狀態。本例需要將風對天線面板的作用進行定量的分析，所以采用高精度二階迎風格式配合較小的欠松弛系數，選用SIMPLEC算法。4c)參考壓力位置的確定對于不可壓縮流動，由于邊界條件中不包括壓力邊界條件，必須設置一個參考壓力位置。在計算流域中選一個不受模型影響，并且遠離流域邊界的位置作為參考壓力位置，FLUENT在每次迭代后，都將整個壓力場減去這個參考壓力位置的壓力值，從而使得所有的壓力均按照參考壓力位置的值來度量，壓力絕對值常比相對值高幾個數量級，若采用壓力絕對值進行計算，則會導致計算存在較大的誤差。確定參考壓力位置根據所建模型和坐標系，選擇點(100m，160m，60m)為參考壓力點，將此點的參考壓力設為0，使表壓和絕對壓力相等；FLUENT中風壓系數Cp的計算公式如下：其中p在FLUENT中成為表壓，因為將參考壓力設為0，所以此處也為絕對壓力(absolutepressure)，pref在軟件中設為0，v為參考位置處的風速。因此Cp的取值與參考位置的選取有關，在工程應用中如參考位置選取不同，需要進行換算，換算公式如下：其中CPh為參考高度為h時的風壓系數，CPH為參考高度為H時的風壓系數，α為地面粗糙度。本例在referencevalues中將速度v設為23.7m/s；本例計算的風壓系數是以參考高度為10m處的風速計算的，實際工程上應該以天線反射面最高處為參考高度，本例為30m，采用換算公式將參考高度為10m的風壓系數轉換成參考高度為30m的風壓系數：CP30為參考高度為30m時的風壓系數，CP10為參考高度為10m時的風壓系數；從計算域入口設定的初始值進行全局初始化；設定殘差值為10-4，迭代步數為3000步。(5)將面板節點風壓系數數據以ASCII形式導出，轉換成excel文件，再導入到MATLAB數據處理軟件中。由于望遠鏡天線結構反射面各點位置的風荷載作用實際上是前后表面的壓力差，故風壓系數Cp應為望遠鏡結構上下表面的平均壓力系數的差值：Cp＝Cp_up-Cp_down式中Cp_up為迎風面風壓系數，Cp_down為背風面風壓系數，Cp為風壓系數。圖7是已有風洞試驗得出的天線面板風壓系數分布圖(正吹)，將天線面板分成5圈×24塊＝120塊，分塊樣式如圖6所示，編制matlab程序，對每個分塊內的所有節點的風壓系數值求平均值，以這個值來表示該分塊區域的風壓系數值，圖8是軟件仿真和風洞數據對比情況。(6)已經得出了俯仰角E＝0°，方位角A＝0°，這個工況下的軟件仿真風壓系數值。重復步驟(1)～(6)得出俯仰角E＝0°，方位角A＝30°、俯仰角E＝0°，方位角A＝60°這兩個工況下的軟件仿真風壓系數值，如圖9和圖10所示。表1軟件仿真誤差工況RMSEMREE＝0°，A＝0°0.07273.99％E＝0°，A＝30°0.12306.71％E＝0°，A＝60°0.189913.34％風壓系數Cp值與已有風洞風壓系數值進行對比仿真誤差通過下式得到：式中CPi為第i塊軟件仿真的風壓系數值，cpi為第i塊風洞實驗得出的風壓系數值。由于已有風洞實驗并沒有給出地貌類型和計算平均風壓系數的參考高度，而且本例簡化了方位架、饋源等結構，故數值模擬結果與風洞試驗數據之間必然存在一定差異。通過計算這兩者之間的差異，得出軟件仿真可行的結論。采用數值模擬方法，可以得到較好的望遠鏡反射面板風壓分布規律。可以進一步豐富天線各個工況下的面板風壓分布情況。以上所述，僅是本發明的實施例，并非對本發明做任何限制，凡是根據本發明技術對以上實施例所做的任何簡單修改，變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。當前第1頁1 2 3