2.3 气动特性分析

硬式加油伸缩管的气动参数使用 ANSYS 中自带的 ICEM软件以及 FLUENT软件求解。伸缩管的气动参数求解过程总体分为两大部分，一部分是利用ICEM进行网格划分，另一部分是利用Fluent进行伸缩管气动参数的求解。

2.3.1 网格绘制

对变形的弹性加油伸缩管以及外流域的网格划分 （ICEM） 步骤如下：

1） 导入加油伸缩管三维模型图：将加油伸缩管各阶变形的三维模型图分别导入到ICEM软件中。以第一阶变形为例，将模态分析中用Modal模块分析得到的弹性伸缩管的一阶变形图从该模块中导出，并最终保存为stp格式。将该stp文件导入到ICEM之后的图形如图2-17所示。

2） 对已导入的加油伸缩管三维模型进行检查：在工具栏的 “RepairGeometry” 中进行三维模型面网格检查，删除多余面。

3） 创建弹性加油伸缩管的计算域：将弹性加油伸缩管所在的大气环境创建为一个包围加油伸缩管的长方体，该长方体的边长需要根据加油伸缩管的管径和长度的偌数设计。经过相关参数的设置，建立起变形弹性加油伸缩管的计算域。

4） 创建大气环境流体域 “Body” 项：在弹性加油伸缩管与流体域表面分别选取一点，建立 “Body” 项并命名为 “FLUID”，如图2-18所示。

5） 创建弹性加油伸缩管以及大气流体域的 “Part” 项：为了与FLUENT实现数据的共享，需要建立加油伸缩管管体的 “Part” 项。分别对升降舵、方向舵、流体输入口、流体输出口、加油伸缩管管体等部分建立 “Part” 项，以便后续在FLUENT中分别进行流体相关设置。

6） 网格划分：分别对整体网格相关参数和部分网格相关参数进行设置，然后绘制网格。在网格绘制完成之后，进行网格质量检查。最后进行网格光顺化处理，得到优化的网格。本章最终得到的网格如图2-19所示。

经过以上六个步骤，完成了弹性加油伸缩管以及大气环境流体域的网格绘制。接着需要在FLUENT中进行相关气动参数的模拟。

2.3.2 气动参数模拟

对加油伸缩管进行相关参数模拟的过程如下：

（1） 将ICEM中绘制好的网格导入并显示 对加油伸缩管及其流体域所生成的网格进行质量检查，若最小网格体积相关参数均大于零，则符合计算要求。

（2） 在使用FLUENT求解前需要进行的相关参数设置 相关参数设置如下：

1） 大气环境流场模型选择 “k-epsilon” 湍流模型，并且激活能量方程。

2） 由于本书中硬式加油伸缩管所在的大气环境为高速可压缩流场，因此在这里选择密度基求解器作为FLUENT软件的求解器。

3） 加油伸缩管所处大气的气体密度设置为理想气体类型。

4） 设置入口边界的边界类型为 “PressureFar-Field”，并设置相关的马赫数 （0.7）、温度 （0℃） 以及速度矢量 （分解后）。

5） 大气环境出口采用自由流出，设置加油伸缩管管体边界类型为 “Wall”；在 “Solu-tion Methods” 中将求解方法设置为 “Implicit” 以及 “Roe-FDS”，并将 “Gradient” 与“Flow” 两项设置为 “Second OrderUpwind”。

6） 建立升力、阻力以及俯仰力矩监视器，并进行求解。

2.3.3 计算结果与分析

为了获取变形的加油伸缩管管体产生的气动力，设其所处的大气环境是可压缩理想气体，速度0.7 马赫，攻角变化为0 °～16 °，以2 °的大小递增，得到弹性加油伸缩管不同模态下的气动系数变化曲线。其中，在每一次气动参数计算中，其值的迭代收敛条件必须满足规定，图2-20是某一次气动参数在迭代过程中的残差收敛图，在迭代过程中，除能量变量（energy） 外，一般认为当所有物理变量的残差值最终小于10 ^-3时，得到的结果是收敛的；当最终能量变量小于10 ^-6时认为是收敛的。对应到图2-20可知本次迭代收敛。

由升力、阻力以及俯仰力矩监视器可以得到各个气动导数与伸缩管模态阶数的变化关系。伸缩管各阶模态所对应的升力系数与攻角变化拟合曲线如图2-21所示。

对于图2-21中伸缩管各阶变形模态产生的升力系数拟合曲线，令x表示攻角变化， y_li表示各阶模态所产生升力对应的系数，有

伸缩管各阶模态所对应的阻力系数拟合曲线如图2-22所示。

对于图2-22中伸缩管各阶变形模态产生的阻力系数拟合曲线，令z表示横轴攻角变化， y_zi表示各阶模态所产生阻力对应的系数，有

伸缩管各阶模态所对应的俯仰力矩系数拟合曲线如图2-23所示。

对于图2-23中伸缩管各阶变形模态产生的俯仰力矩系数拟合曲线，令w表示横轴攻角变化，y_li表示各阶模态所产生俯仰力矩对应的系数，有