本發(fā)明涉及防護(hù)用濾毒罐領(lǐng)域，具體為一種濾毒罐氣流模擬仿真試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)更多的應(yīng)用在航空、航天、化工、汽車制造、建筑等行業(yè)，在航空工業(yè)方面，采用仿真技術(shù)使大型客機(jī)的設(shè)計(jì)和研制周期縮短20%。采用仿真實(shí)驗(yàn)代替實(shí)彈試驗(yàn)可使實(shí)彈試驗(yàn)的次數(shù)減少80%。對(duì)于復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，不僅可以很好解決問題，還節(jié)省了大量的人力、物力。

目前，濾毒罐的研制主要依據(jù)國(guó)標(biāo)，對(duì)濾毒罐的防護(hù)性、氣密性等主要性能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，缺少對(duì)濾毒罐氣流分布等物理性能的檢測(cè)，而這些性能參數(shù)在濾毒罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中參考價(jià)值不容忽視，但缺少這方面的檢測(cè)設(shè)備和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種濾毒罐氣流分進(jìn)行檢測(cè)的方法，可通過計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)對(duì)濾毒罐進(jìn)行氣流場(chǎng)模擬，得到直觀的濾毒罐氣流場(chǎng)。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種濾毒罐氣流模擬仿真試驗(yàn)方法，包括如下步驟：

（1）、濾毒罐幾何模型的建立

首先，采用三維設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建所研究的濾毒罐模型，濾毒罐模型與實(shí)體濾毒罐結(jié)構(gòu)一致；再將濾毒罐模型內(nèi)部的流體空間剖出，并根據(jù)實(shí)際濾毒罐的內(nèi)部填充物，將濾紙層、活性炭層與濾毒罐流體空間的其余部分分割開，以便于在湍流模型的基礎(chǔ)上建立所需的多孔介質(zhì)模型；最后，構(gòu)建幾何模型；

（2）、流體空間網(wǎng)格劃分

對(duì)濾毒罐內(nèi)部的氣流進(jìn)行分析，需要對(duì)計(jì)算區(qū)域在空間上進(jìn)行網(wǎng)格劃分；采用八叉樹方法生成四面體網(wǎng)格；

（3）、濾毒罐流體仿真計(jì)算

首先，根據(jù)氣體流經(jīng)濾毒罐的實(shí)際狀態(tài)，在濾毒罐入口和出口處，建立湍流模型；而流體力學(xué)上濾紙和活性炭被定義為多孔介質(zhì)，采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行分析，故模型選擇k-ε湍流模型和達(dá)西模型；然后將流體空間性質(zhì)一致的各子計(jì)算域生成合體區(qū)域，便于分析和計(jì)算，并分別建立流體域和多孔介質(zhì)域，在計(jì)算域的建立過程中，設(shè)定相關(guān)參數(shù)；其中流速與實(shí)驗(yàn)的具體情況相關(guān)，并通過多孔介質(zhì)的P-V曲線的二次方程式確定阻力系數(shù)；設(shè)定邊界條件，分別設(shè)定氣流入口、出口、交界處的邊界類型、氣體壓力、質(zhì)量、動(dòng)量等，并完成仿真計(jì)算初始值的設(shè)定；

（4）、流體仿真結(jié)果分析及模型修正

根據(jù)流體空間仿真計(jì)算結(jié)果，創(chuàng)建全局壓力分布云圖、流速矢量圖、氣體流線圖，經(jīng)分析得出濾毒罐內(nèi)部的氣體分布情況；制作透明濾毒罐，并用顆粒度相近的變色硅膠代替活性炭，通入一定流量的濕潤(rùn)氣體，觀察硅膠的變色情況，進(jìn)而得到氣體流經(jīng)濾毒罐時(shí)的分布情況；仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，修正流體計(jì)算模型的參數(shù)、邊界條件，反復(fù)修正和仿真，使兩者最大程度的接近；

（5）、通過得到的濾毒罐流體模型，對(duì)濾毒罐進(jìn)行模擬仿真，得到濾毒罐氣流分布圖，經(jīng)分析，找到氣體流經(jīng)濾毒罐時(shí)的分布情況，氣體流經(jīng)較少的區(qū)域降低炭層厚度，而氣體較集中的區(qū)域增加炭層厚度，同時(shí)對(duì)濾毒罐導(dǎo)流板、中隔板、罐體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

優(yōu)選的，步驟（1）中，構(gòu)建幾何模型時(shí)，由于濾毒罐是X、Y軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，將模型簡(jiǎn)化為原模型的1/4結(jié)構(gòu)，減少格點(diǎn)數(shù)、提高計(jì)算效率。

優(yōu)選的，步驟（2）中，在網(wǎng)格劃分的過程中，對(duì)模型的邊緣、多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，提高模型分析的可靠性。

計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)為濾毒罐的氣流場(chǎng)分析提供了一種手段，本方法通過大量數(shù)據(jù)試驗(yàn)和模擬仿真建立一個(gè)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值近似的濾毒罐流場(chǎng)模型。通過該計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)方法，可以得到空氣流體在通過濾毒罐時(shí)的分布情況，可作為濾毒罐結(jié)構(gòu)改良設(shè)計(jì)的依據(jù)。通過分析測(cè)試得到的濾毒罐氣流分布，可作為濾毒罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是否合理的重要依據(jù)之一，濾毒罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)濾毒罐的防護(hù)時(shí)間、裝藥量具有重要指導(dǎo)意義，并且濾毒罐的結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到濾毒罐對(duì)防毒面具的視野參數(shù)的大小的影響，在異型濾毒罐設(shè)計(jì)中具有重要意義。通過采用這種新的設(shè)計(jì)手段，達(dá)到縮短面具的研制周期，節(jié)省大量的人力、物力，使面具的性能更加可靠。

本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，通過計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)方法可得到實(shí)際實(shí)驗(yàn)無(wú)法得到的可視化分析結(jié)果，將大量實(shí)驗(yàn)得到的物理參數(shù)代入計(jì)算機(jī)的模擬仿真，通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)得到可視化的流體分布圖，為濾毒罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

一種濾毒罐氣流模擬仿真試驗(yàn)方法，包括如下步驟：

1、濾毒罐幾何模型的建立

首先，借助先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建所研究的濾毒罐模型，模型需要與實(shí)體濾毒罐結(jié)構(gòu)一致；再將濾毒罐模型內(nèi)部的流體空間剖出，并根據(jù)實(shí)際濾毒罐的內(nèi)部填充物，將濾紙層、活性炭層與濾毒罐流體空間的其余部分分割開，以便于在湍流模型的基礎(chǔ)上建立所需的多孔介質(zhì)模型；最后考慮到濾毒罐是X、Y軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，在構(gòu)建幾何模型時(shí)，需將模型簡(jiǎn)化為原模型的1/4結(jié)構(gòu)，這樣可以減少格點(diǎn)數(shù)、提高計(jì)算效率。

2、流體空間網(wǎng)格劃分

要對(duì)濾毒罐內(nèi)部的氣流進(jìn)行分析，需要對(duì)計(jì)算區(qū)域在空間上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格生成約占整個(gè)項(xiàng)目周期的80%~95%，生成一套高質(zhì)量的網(wǎng)格將會(huì)顯著提高計(jì)算精度和收斂速度，由于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)幾何模型的適應(yīng)性好，本發(fā)明采用八叉樹方法生成四面體網(wǎng)格，對(duì)于復(fù)雜模型，不需要花費(fèi)大量時(shí)間用于幾何修補(bǔ)和殼網(wǎng)格的生成；在網(wǎng)格劃分的過程中，需要對(duì)模型的邊緣、多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，提高模型分析的可靠性。

3、濾毒罐流體仿真計(jì)算

模型建立的合理性取決于模型的選擇以及模型參數(shù)的設(shè)定，通過對(duì)濾毒罐的結(jié)構(gòu)分析，可知?dú)怏w通過濾毒罐的過程中存在兩個(gè)狀態(tài)，氣體在流經(jīng)出入口和較大空間時(shí)，會(huì)形成一個(gè)三維、非穩(wěn)態(tài)且具有較大規(guī)模的復(fù)雜湍流過程。

首先，根據(jù)氣體流經(jīng)濾毒罐的實(shí)際狀態(tài)，在濾毒罐入口和出口處，建立一個(gè)復(fù)雜的湍流模型，而流體力學(xué)上濾紙和活性炭被定義為多孔介質(zhì)，采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行分析，故本發(fā)明的模型選擇k-ε湍流模型和達(dá)西模型；然后將流體空間性質(zhì)一致的各子計(jì)算域生成合體區(qū)域，便于分析和計(jì)算，并分別建立流體域和多孔介質(zhì)域，在計(jì)算域的建立過程中，設(shè)定相關(guān)參數(shù)（氣流的流速、流經(jīng)多孔介質(zhì)的阻力系數(shù)等），其中流速與實(shí)驗(yàn)的具體情況相關(guān)，并通過多孔介質(zhì)的P-V曲線的二次方程式確定阻力系數(shù)；設(shè)定邊界條件，分別設(shè)定氣流入口、出口、交界處的邊界類型、氣體壓力、質(zhì)量、動(dòng)量等，并完成仿真計(jì)算初始值的設(shè)定。

4、流體仿真結(jié)果分析及模型修正

根據(jù)流體空間仿真計(jì)算結(jié)果，創(chuàng)建全局壓力分布云圖、流速矢量圖、氣體流線圖等，經(jīng)分析得出濾毒罐內(nèi)部的氣體分布情況；制作透明濾毒罐，并用顆粒度相近的變色硅膠代替活性炭，通入一定流量的濕潤(rùn)氣體，觀察硅膠的變色情況，進(jìn)而得到氣體流經(jīng)濾毒罐時(shí)的分布情況；仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，修正流體計(jì)算模型的參數(shù)、邊界條件，反復(fù)修正和仿真，使兩者最大程度的接近。

5、通過得到的濾毒罐流體模型，對(duì)濾毒罐進(jìn)行模擬仿真，得到濾毒罐氣流分布圖，經(jīng)分析，可找到氣體流經(jīng)濾毒罐時(shí)的分布情況，氣體流經(jīng)較少的區(qū)域可降低炭層厚度，而氣體較集中的區(qū)域適當(dāng)增加碳層厚度，同時(shí)對(duì)濾毒罐導(dǎo)流板、中隔板、罐體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

本計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)方法可得到實(shí)際實(shí)驗(yàn)無(wú)法得到的可視化分析結(jié)果，將大量實(shí)驗(yàn)得到的物理參數(shù)代入計(jì)算機(jī)的模擬仿真，通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)得到可視化的流體分布圖，為濾毒罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍中。