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伞衣织物的透气性计算方法

本计算方法涉及降落伞伞衣的透气性研究,首次引用多孔介质边界条件来模拟降落伞伞衣织物的透气性,有效而真实地模拟了气流流过透气体的流场结构,解决了目前亟待解决的伞衣织物透气性的模拟问题。


背景技术

透气性是降落伞织物的重要指标之一,降落伞的气动特性很大程度上是由降落伞织物的透气性决定的。诸如伞衣充气时间、开伞动载、稳定性以及下降速度等降落伞的重要性能都与伞衣织物的透气性有关。但是,由于降落伞是个柔性透气体,它在工作过程中的变形、透气性都影响了伞衣周围压力场的变化,压力场的变化反过来对伞衣的形状有影响,由此形成了复杂的相互作用的过程。在降落伞开伞过程中,这一现象尤为复杂。因此建立何种合适的模型对其进行气动力研究一直是困扰降落伞理论向前发展的难点和盲点问题。最近有研究者采用商用软件对伞衣织物透气性进行了研究(贾贺,荣伟,陈国良,基于LS-DYNA 的降落伞伞衣织物透气性参数仿真验证[J],航天返回与遥感,2009,30(1) :15-19)但从文献中可看出,随着速度的减少计算结果与试验结果误差增大,当流速为20m/s时,二者误差达到了 9%,进一步减小流速,误差会进一步增大,因此该方法在流速低时不可靠。


发明内容

为了解决目前亟待解决的伞衣织物透气性的模拟问题。首次引用多孔介质边界条件来模拟降落伞伞衣织物的透气性,有效而真实地模拟了气流流过透气体的流场结构,求得气流透过透气体时的压力损失。

本计算方法所采用技术方案是:

第一步:使用伞衣材料的透气性实验数据拟合得到一个压力损失与透气速度之间的二次多项式关系。

首先对多孔介质进行一维简化,“压力损失-透气速度”关系由以下公式给定:

< 1 、

[0008] ^p= —V+ -C2PV2

a 2

Am

(1)

其中μ是流体粘性系数,P为流体密度,α是介质的透气系数,C2是压力跃变系数,ν是透气速度,Am是介质厚度(即伞衣厚度)。QX2 ^P Am是多孔介质边界条件中需要设置的参数。从公式(1)中可见,压力损失Δ ρ表示为透气速度ν的二次函数。

[0010] 对伞衣材料进行透气性实验,获得不同透气速度ν对应的压力损失Δρ。对实验结果进行二次多项式插值拟合。得到ν和压力损失Δρ之间的二次函数关系式:

[0011] Δ P = av2+bv (2)

[0012] 式中,a,b为已知的常数。比较(1)式和⑵式,可得:

[0013] a = -C2pAm ,ό = — Am (3)

2 a

第二步:设定伞衣厚度Am,根据(¾式求出伞衣透气性参数:α和C2。上述流体粘性系数μ在此处表示气体粘性系数,上述流体密度P在此处表示气体密度。

透过伞衣的气体密度P和气体粘性系数μ可根据降落伞工作高度来定,因此P 和μ是已知数。那么,根据伞衣材料,给定伞衣厚度Δπι,则可根据(¾式求出伞衣透气性参数:α和C2。

第三步:使用参数Δπι、α和C2对多孔介质边界条件进行设置。对降落伞流场进行求解的过程中,即可根据透气速度ν得出伞衣内外的压力损失Δρ。

边界条件进行设置即:把求得的α和(:2代入(1)中,给定伞衣厚度Δ m,则可得到伞衣“压力损失-透气速度”的二次关系式。

本计算方法的有益效果是:模型更接近伞衣的物理模型,结果更可靠,计算过程简

附图说明

图1是二次多项式曲线拟合结果。

图2是透气性验证计算模型的边界条件和网格示意图。

图中:1·速度入口,2.多孔介质(伞衣),3·压力出口

具体实施方式

下面以602锦丝66绸为例进行计算模型验证。

首先对多孔介质进行一维简化,“压力损失-透气速度”关系由以下公式给定:


其中μ是流体粘性系数,P为流体密度,α是介质的透气系数,C2是压力跃变系数,ν是透气速度,Am是介质厚度。a、C2* Am是多孔介质边界条件中需要设置的参数。

从公式(1)中可见,压力损失Δ ρ表示为透气速度ν的二次函数。在实际计算中, 流体粘性系数μ、流体密度P和介质厚度Δπι为已知量,还有α和(:2两个参数需要确定。 如果已知一组透气速度和压力损失的实验数据,则可以通过对实验数据进行二次多项式插值的方法确定α和C2两个参数。表1中的第一二列为602锦丝66绸透气速度与压力损失的一组实验数据,采用过原点的二次多项式对这组数据进行拟合(如图1所示)可得:

Δρ = 133. 34ν2+79. 386ν (2)

比较式⑵和式⑴,由对应常数项相等可得:



标准大气条件下空气密度P为1. 22^g/m3,粘性系数μ为1. 7¾ X 10_5kg/ms,设介质厚度Δ m为0. 0005m,则由以上两式计算可得:

C2 = 435395. 9,a = 1. 1270X 10,

为了验证采用多孔介质边界条件模拟降落伞伞衣透气性的可靠性,制作了一个如图2所示的计算模型。该模型的计算域为二维长方形“通道”,侧边指定为周期边界,多孔介质边界设置在“通道”中间位置,相当于在通道中间加了一层“透气膜”,在速度入口指定空气流速,压力出口设置为标准大气压。使用所编写的程序对该模型进行计算直至收敛后,可以得到速度入口和压力出口之间的压力差,此压力差即为多孔介质边界模拟的“透气膜”在当前流速(即透气速度)下的压力损失。

根据之前对602锦丝66绸透气参数的计算,设定多孔介质边界的参数为:Am = 0. 0005m C2 = 435395.9,α = 1. 1270 X ΚΓ1。。将速度入口的空气流速分别设定为表1中的速度,即可计算得到相应的压力损失。压力损失计算值与实验值的对比如表1的第二三列所示,可以看出,在流速非常低的情况下,误差也不超过5%。表1中的压力损失计算值与使用之前得到的拟合公式Δρ= 133.34ν2+79.386ν计算的结果吻合较好。因此,使用公式 (1)可以较精确地将透气速度与压力损失之间的关系加入到流场数值模拟中。

以上验证表明,可以使用多孔介质边界条件模拟降落伞伞衣的透气特性,其具体设置步骤为:(1)使用伞衣材料的透气性实验数据拟合得到一个压力损失与透气速度之间的二次多项式关系;(2)设定伞衣厚度Am,使用二次多项式的系数求出α和C2; (3)使用参数Δπι、α和C2对多孔介质边界条件进行设置,则可得到伞衣“压力损失-透气速度”的二次关系式。在对降落伞流场进行求解的过程中,即可根据透气速度ν得出伞衣内外的压力差Δρ。

表1602锦丝66绸透气速度与压力损失的计算值与实验值对比


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