一种反射面天线面板风压系数数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种反射面天线面板风压系数数值模拟方法，包括：首先采用ProE软件建立天线面板几何模型；然后将几何模型导入前置划分网格软件ICEM‑CFD，建立计算流场区域范围，进行流场区域网格划分；其次将网格文件导入流场求解软件FLUENT，通过一系列设置，计算求解，得到天线面板风压分布；最后将FLUENT的计算求解结果导出，编制MATLAB程序求出分块平均风压系数值。本发明专利技术解决了目前反射面天线缺少相关风洞试验数据的问题，通过软件仿真方法，确定多个工况下天线面板的分块风压系数值。方法可提供可视化的流场信息，具有成本低、可重复操作、便于控制的改变模拟环境条件、结果采集全面的特点。

Numerical simulation method of air pressure coefficient of reflector antenna panel

The invention discloses a method of numerical simulation, reflector panel pressure coefficient includes: firstly, using ProE software to establish the geometric model of antenna panel; then the geometric model into the front grid software ICEM CFD, establish flow field calculation area, the flow area of the mesh; secondly the grid file into the flow field calculation software FLUENT. Through a series of setting calculation, get the antenna panel pressure distribution; finally the derived calculation results of FLUENT, MATLAB program to calculate the numerical average wind pressure. The invention solves the problem that the reflector antenna lacks relevant wind tunnel test data, and determines the block air pressure system value of the antenna panel under a plurality of working conditions by means of a software simulation method. The method can provide visualized flow field information, and has the characteristics of low cost, repeatable operation, convenient control, changing simulated environment conditions and obtaining comprehensive results.

【技术实现步骤摘要】
一种反射面天线面板风压系数数值模拟方法
本专利技术涉及CFD数值仿真领域，特别是一种反射面天线面板风压系数数值模拟方法。
技术介绍
在大型高精度天线系统设计中，天线反射面的表面精度是主要技术性能指标之一，它直接影响着天线的电性能。随着天线口径的增大，工作频率的提高，对天线反射面精度要求也越来越高。对于露天工作的天线，风荷载对天线工作有着较大影响。在风荷载作用下，天线反射面会偏离的设计曲面，从而使天线的系统性能，如天线增益、天线副瓣和天线交叉极化等主要指标下降，严重失去数据真实性。对于巨型射电望远镜结构，由于其反射面面积巨大、实际工作工况多样(俯仰角、风向角的变化等等)，风荷载的作用更是不可忽略。故对巨型射电望远镜结构在风场中风压分布规律进行了解十分重要。对于大口径射电望远镜，在进行抗风设计时，缺少相关的风洞试验数据，且在现行规范中找不到合适的风载体型系数。因此，研究大口径射电望远镜结构的风场绕流特性和风压分布规律非常重要。研究射电望远镜天线结构风载荷特性主要有以下四种方法：1.理论分析对于大口径巨型射电望远镜天线结构，不仅受风环境的来流湍流影响，由于体型巨大，巨型反射面结构的钝体绕流现象尤为显著，撞击、分离、再附、尾流作用的特征湍流影响不可忽视，无法将如此复杂多样的空气流动完全用解析方法来确定。2.现场实测a.实测周期长、受仪器观测精度的影响；b.由于不能对气候、地形等环境条件加以改变和控制，故有很大的局限性；c.安装数量庞大的传感器，对射电望远镜天线结构本身和射电望远镜的观测精度的影响已不容忽视。3.风洞试验由于望远镜结构的反射面相对较薄，布置测压管很不方面，导致增大模型厚度造成尺寸效应；此外风洞试验技术中的动力相似条件很难满足，也必将带来试验误差。4.数值模拟以CFD为基础的数值模拟方法具有成本低、可重复操作、便于控制的改变模拟环境条件、结果采集全面、可提供可视化的流场信息；与风洞试验方法相比，CFD数值模拟方法可不受模型尺度影响，从而克服了风洞试验中雷诺数相似难满足的问题。
技术实现思路
基于上述问题，本专利技术的目的在于解决目前反射面天线缺少相关的风洞试验数据的问题，通过数值模拟方法，确定多个工况下天线面板的分块风压系数值。实现本专利技术目的的技术解决方案是:一种反射面天线面板风压系数数值模拟方法，包括以下步骤：(1)按照反射面天线面板原型尺寸建立几何模型，采用Proe三维绘图软件建立指定反射面天线面板口径和焦径比的旋转抛物面；(2)将Proe三维绘图软件建立的几何模型导入ICEM-CFD软件中，建立流场区域；采用非结构化网格划分流场区域，导出为网格文件；(3)检查非结构化网格质量，若非结构化网格质量大于0.2，最大偏斜率低于0.9，则进入下一步；否则跳转至步骤(2)重新进行网格划分；(4)把步骤(2)生成的网格文件导入到FLUENT软件中，通过选择湍流模型、定义边界条件，进行计算求解得到反射面天线面板风压节点的风压系数；(5)将反射面面板节点风压系数数据以ASCII形式导出，再导入到MATLAB数据处理软件中；根据已有风洞风压系数的面板分块样式，通过编制MATLAB程序，求出面板分块区域的平均风压系数；(6)重复步骤(1)～(5)，得出俯仰角E＝0°、方位角A＝30°，俯仰角E＝0°、方位角A＝60°这两个工况下的软件仿真风压系数值；采用软件仿真得出的风压系数值与已有风洞风压系数值进行对比，验证软件数值仿真天线面板风压系数的可行性。进一步，所述步骤(1)中，采用Proe三维绘图软件建立指定反射面天线面板口径和焦径比的旋转抛物面的俯仰角E＝0°，方位角A＝0°。进一步，所述步骤(2)中，建立流场区域通过下述方法实现：2a)计算流场区域的设置包括上游尺寸L1，下游尺寸L2，计算域迎风面宽度B及高度H，计算模型的尺寸为l×b×h，确定计算域设置参数；2b)设定流场区域阻塞率ε不大于3％：式中，D是天线口径，B是计算域迎风面宽度，H是计算域迎风面高度。进一步，所述步骤(2)中，采用非结构化网格划分流场区域，在近壁处生成边界层加密区域，模型表面近壁处至少生成10层边界层网格，网格由密到疏的过渡比率为1.05-1.2。进一步，所述步骤(4)中，天线面板风压节点分布，通过下述方法实现：4a)选择湍流模型为雷诺应力模型：其中，ρ为密度，u'i和u'j为速度脉动分量，t为时间，Cij为对流项，DT,ij为湍动扩散项，DL,ij为分子粘性扩散项，Pij为剪应力产生项，Gij为浮力产生项，φij为压力应变项，εij为粘性耗散项，Fij为系统旋转产生项；4b)定义流场区域边界条件，包括流域入流处采用的FLUENT中的速度进口条件、流域出口边界采用的完全发展出流边界条件、区域顶部和两侧采用的对称边界条件和区域底部和面板模型表面采用的无滑移的壁面条件；4c)选用SIMPLEC算法，风压系数Cp的计算公式如下：其中p为在FLUENT中成为表压，pref为在软件中设为0，v为参考位置处的风速。进一步，所述步骤4b)中，计算流域入流处采用FLUENT中的速度进口条件(velocity-inlet)，包括计算域入口处的湍流强度I、湍流动能k和湍流耗散率ε，具体表达式如下：l＝100(z/30)0.5其中z、分别是流域中任意高度和对应的平均风速，l为湍流积分尺度，α为地面粗糙度。进一步，所述步骤4b)中，出口边界条件采用流场任意物理量ψ沿出口法向梯度为零，的完全发展出流边界条件。进一步，风压系数Cp为望远镜结构上下表面的平均压力系数的差值：Cp＝Cp_up-Cp_down式中Cp_up为迎风面风压系数，Cp_down为背风面风压系数，Cp为风压系数。进一步，所述步骤(6)中，风压系数Cp值与已有风洞风压系数值进行对比仿真误差通过下式得到：式中CPi为第i块软件仿真的风压系数值，cpi为第i块风洞实验得出的风压系数值。本专利技术与现有技术相比，具有以下特点：本专利技术采用数值模拟方法，得出天线面板分块风压系数值，以CFD为基础的数值模拟，可提供可视化的流场信息，具有成本低、可重复操作、便于控制的改变模拟环境条件、结果采集全面的特点。与风洞试验方法相比，CFD数值模拟方法可不受模型尺度影响，从而克服了风洞试验中雷诺数相似难满足的问题。通过对比三个工况下数值模拟方法和风洞试验得出的分块风压系数值，得出软件仿真得到的结果基本与试验数据吻合的结论，进而可以丰富多个工况下的风压系数值，解决了除风洞试验数据试验的工况外缺少风压系数的问题，为天线抗风设计提供数据支持。附图说明图1是本专利技术方法的流程图；图2是本专利技术使用的软件之间的关系流程框图；图3是计算域尺寸设置项目；图4是ICEM-CFD建立计算域示意图；图5是面板附近网格示意图；图6是面板分块样式；图7是风洞试验(E＝0°，A＝0°)得出的风压系数；图8是软件仿真与风洞试验(E＝0°，A＝0°)风压系数对比；图9是软件仿真与风洞试验(E＝30°，A＝0°)风压系数对比；图10是软件仿真与风洞试验(E＝60°，A＝0°)风压系数对比。具体实施方式下面结合附图及具体实施案例对本专利技术做进一步说明。参照图1，一种反射面天线面板风压系数数值模拟方法，其包括以下步骤：(1)按照反射面天线面板原型尺寸建立几何模型。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反射面天线面板风压系数数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按照反射面天线面板原型尺寸建立几何模型，采用Proe三维绘图软件建立指定反射面天线面板口径和焦径比的旋转抛物面；(2)将Proe三维绘图软件建立的几何模型导入ICEM‑CFD软件中，建立流场区域；采用非结构化网格划分流场区域，导出为网格文件；(3)检查非结构化网格质量，若非结构化网格质量大于0.2，最大偏斜率低于0.9，则进入下一步；否则跳转至步骤(2)重新进行网格划分；(4)将步骤(2)生成的网格文件导入到FLUENT软件中，通过选择湍流模型、定义边界条件，计算求解得到反射面天线面板风压节点的风压系数；(5)将反射面面板节点风压系数数据以ASCII形式导出，再导入到MATLAB数据处理软件中；根据已有风洞风压系数的面板分块样式，通过编制MATLAB程序，求出面板分块区域的平均风压系数；(6)重复步骤(1)～(5)，得出俯仰角E＝0°、方位角A＝30°，俯仰角E＝0°、方位角A＝60°这两个工况下的软件仿真风压系数值；采用软件仿真得出的风压系数值与已有风洞风压系数值进行对比，验证软件数值仿真天线面板风压系数的可行性。...

【技术特征摘要】
1.一种反射面天线面板风压系数数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按照反射面天线面板原型尺寸建立几何模型，采用Proe三维绘图软件建立指定反射面天线面板口径和焦径比的旋转抛物面；(2)将Proe三维绘图软件建立的几何模型导入ICEM-CFD软件中，建立流场区域；采用非结构化网格划分流场区域，导出为网格文件；(3)检查非结构化网格质量，若非结构化网格质量大于0.2，最大偏斜率低于0.9，则进入下一步；否则跳转至步骤(2)重新进行网格划分；(4)将步骤(2)生成的网格文件导入到FLUENT软件中，通过选择湍流模型、定义边界条件，计算求解得到反射面天线面板风压节点的风压系数；(5)将反射面面板节点风压系数数据以ASCII形式导出，再导入到MATLAB数据处理软件中；根据已有风洞风压系数的面板分块样式，通过编制MATLAB程序，求出面板分块区域的平均风压系数；(6)重复步骤(1)～(5)，得出俯仰角E＝0°、方位角A＝30°，俯仰角E＝0°、方位角A＝60°这两个工况下的软件仿真风压系数值；采用软件仿真得出的风压系数值与已有风洞风压系数值进行对比，验证软件数值仿真天线面板风压系数的可行性。2.根据权利要求1所述的一种反射面天线面板风压系数数值模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用Proe三维绘图软件建立指定反射面天线面板口径和焦径比的旋转抛物面的俯仰角E＝0°，方位角A＝0°。3.根据权利要求1所述的一种反射面天线面板风压系数数值模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)中，建立流场区域通过下述方法实现：2a)计算流场区域的设置包括上游尺寸L1，下游尺寸L2，计算域迎风面宽度B及高度H，计算模型的尺寸为l×b×h，确定计算域设置参数；2b)设定流场区域阻塞率ε不大于3％：式中，D是天线口径，B是计算域迎风面宽度，H是计算域迎风面高度。4.根据权利要求1所述的一种反射面天线面板风压系数数值模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用非结构化网格划分流场区域，在近壁处生成边界层加密区域，模型表面近壁处至少生成10层边界层网格，网格由密到疏的过渡比率为1.05-1.2。5.根据权利要求1所述的一种反射面天线面板风压系数数值模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)中，天线面板风压节点分布，通过下述方法实现：4a)选择湍流模型为雷诺应力模型：

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，王国创，王从思，孟鹏飞，黄进，项斌斌，许谦，宋立伟，李鹏，李娜，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61