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申请/专利权人：南京航空航天大学;北京卫星制造厂有限公司

摘要：本发明公开了一种仿生枪虾空化射流装置的设计方法，属于射流加工领域；包括如下步骤：根据逆向构建的仿生枪虾机构的初始模型，建立流场域，对所得的流场域采用内外流域的混合模式进行网格划分；对划分好的混合网格的仿生枪虾机构初始模型进行数值模拟仿真，分析仿生枪虾机构周围流场；通过仿生枪虾机构模型的有限元仿真，利用空化数建立空化射流性能判别方法，对仿生枪虾机构模型的空化射流效果进行对比，优化仿生枪虾机构的组成单元动螯和定螯结构，获得仿生枪虾的空化射流装置优化模型。本发明能够解决产生高强度、高聚焦空化效应装置的设计问题。

主权项：1.一种仿生枪虾空化射流装置的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）逆向构建仿生枪虾机构的初始模型；具体包括如下内容：（1.1）根据枪虾夹螯实体的图片以及CT扫描的结果，分析枪虾夹螯结构以及外部的流域部分，所述枪虾夹螯结构包括动螯、柱塞、定螯和凹槽四个部分；（1.2）构建枪虾夹螯结构的初始模型，并在周围建立夹螯机构外部周围的流域部分；（2）根据所述初始模型建立流场域，所述流场域的流场方向与实际流动路径一致，放置在流场域中的仿生枪虾机构的初始模型与水平逆时针方向呈0-90度偏转角；（3）对所述流场域进行网格划分，网格划分采取内外流域的混合网格相结合的模式；所述内流域为枪虾螯部的内部空穴部分以及周围的外部流域，所述外流域为内流域以外的部分；其中，内部网格采用非结构形式的四面体网格，外流域采用结构化的六面体网格，确定膨胀率，对内外网格进行过渡化处理；（4）基于所述混合网格，对仿生枪虾机构的初始模型进行数值模拟仿真，并分析仿生枪虾机构周围流场；具体包括如下内容：（4.1）采用瞬态多相流模型对初始模型进行动网格的动态仿真，将流域的入口设为速度入口边界条件，设置初始的流入速度，出口设为压力出口边界条件，设置相应压力，侧边的流场边界设为对称，其他表面设为无滑移边界条件；其中，瞬态多相流模型选用Mixture模型，并将湍流模型设为k-epsilon，选用标准壁面函数配合k-epsilon湍流模型进行计算；（4.2）根据枪虾夹螯机构闭合时的运动机制，综合考虑夹螯闭合时的运动参数，在动网格运动的过程中不断更新网格；（4.3）对全域进行初始化之后，对压力场和速度场进行迭代求解；其中，采用PISO算法对压力场和速度场进行迭代求解，对压力方程采用Presto格式，湍动能和体积力选项采用二阶迎风格式进行离散；（4.4）设置时间步和步长，从入口处初始化，开始计算；（5）通过仿生枪虾机构的初始模型的有限元仿真，建立空化射流性能判别方法，对仿生枪虾机构模型的空化射流效果进行对比；具体包括以下内容：（5.1）分析得到仿生枪虾机构压力、速度、雷诺数和气态体积分数云图的变化规律；（5.2）利用空化数来佐证仿生枪虾机构产生空化射流时的空化状态和空化剧烈程度，作为空化射流的评判标准；所述空化数的计算公式如下： ；式中，和分别为未扰动时流体的静压和速度，和分别为水流的密度和饱和蒸气压；（6）根据步骤（5）中的仿真分析结果，优化仿生枪虾机构组成单元的结构，获得仿生枪虾空化射流装置的优化模型；具体包括如下内容：（6.1）所述仿生枪虾机构组成单元的结构包括：动螯、柱塞、定螯和凹槽；（6.2）所述优化包括：通过修改动螯和柱塞的几何参数，调整动螯及柱塞的形状，所述动螯的几何参数包括厚度和弯曲弧度，柱塞的几何参数包括横截面积和长度；通过修改定螯的侧壁高度，调整定螯的形状；通过改变凹槽的深度和弧度，调整凹槽的形状；（6.3）利用控制变量法，生成多组仿生枪虾机构模型，并按照步骤2）—5）的过程进行仿真试验，分析射流的分布及射流的物理参数，通过每组模型的空化数评价产生空化的效果，并根据云图判断聚焦性能，以所述空化和聚焦性能为指标，调整动螯的厚度尺寸、柱塞的横截面积以及定螯的侧壁高度，并改变凹槽的深度和弧度，优化仿生枪虾机构模型，获得仿生枪虾空化射流装置的优化模型。

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