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响应面法在自激脉冲喷嘴结构优化中的应用

邓嵘 敬斌杰 张文汀

邓嵘, 敬斌杰, 张文汀. 响应面法在自激脉冲喷嘴结构优化中的应用[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(9): 1366-1372. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180311
引用本文: 邓嵘, 敬斌杰, 张文汀. 响应面法在自激脉冲喷嘴结构优化中的应用[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(9): 1366-1372. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180311
Deng Rong, Jing Binjie, Zhang Wenting. Application of Response Surface Method to Structural Optimization of Self-excited Pulse Nozzles[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(9): 1366-1372. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180311
Citation: Deng Rong, Jing Binjie, Zhang Wenting. Application of Response Surface Method to Structural Optimization of Self-excited Pulse Nozzles[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(9): 1366-1372. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180311

响应面法在自激脉冲喷嘴结构优化中的应用

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180311
详细信息
    作者简介:

    邓嵘(1962-), 教授, 研究方向为钻头及岩石破碎学以及流体力学仿真, 535235052@qq.com

  • 中图分类号: TH137.53

Application of Response Surface Method to Structural Optimization of Self-excited Pulse Nozzles

  • 摘要: 为了提高自激脉冲喷嘴的射流性能,利用CFD对自激脉冲喷嘴进行流场的数值分析,并与响应面法相结合对喷嘴结构进行全局优化。建立以喷嘴进口直径d1、出口直径d2、腔长Lc、腔径Dc为设计变量,以打击力F为目标函数的数学优化模型;通过对建立的数学模型进行分析,获得喷嘴结构的最优参数;最后对优化后的结构进行对比分析,得到优化后的喷嘴在射流性能上有显著的提高,其打击力提高约20%;并且通过分析因素交互作用图,得到各个结构参数对射流性能的影响规律。
  • 图  1  自激振荡脉冲喷嘴结构

    图  2  自激脉冲喷嘴有限元模型

    图  3  自激脉冲喷嘴总压云图

    图  4  自激脉冲喷嘴速度云图

    图  5  喷嘴打击力内部学生化残差图

    图  6  d1d2交互作用响应图

    图  7  d1Lc交互作用响应图

    图  8  d1Dc交互作用响应图

    图  9  d2Dc交互作用响应图

    图  10  d2Lc交互作用响应图

    图  11  LcDc交互作用响应图

    表  1  自激脉冲喷嘴结构参数

    结构参数d1d2DcLc
    尺寸/mm5.910.77236.6
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    表  2  网格无关性检验结果

    网格数量8 02648 666101 156199 202
    打击力/N370423419431
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    表  3  时间独立性检验结果

    时间步0.0010.000 50.000 1
    打击力/N422423429
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    表  4  不同下喷嘴数值模拟打击力值

    喷嘴直径d2/mm打击力/N
    8.2F1=472.40
    9.6F2=493.16
    10.8F3=477.11
    12F4=487.43
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    表  5  设计因素及水平表

    因素变量水平
    -101
    d1A46.59
    d2B81114
    DcC607590
    LcD203550
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    表  6  实验设计方案及响应值

    实验编号设计变量/mm打击力F/N
    d1d2LcDc
    16.585075462
    24.083575300
    39.0113590721
    44.0112075208
    56.583560495
    66.5143590472
    76.5112060571
    86.5115090508
    96.5113575558
    109.083575536
    114.0113560220
    129.0115075689
    136.582075523
    149.0143575818
    159.0112075756
    164.0143575120
    179.0113560720
    186.5115060499
    194.0113590219
    206.5113575558
    216.5112090566
    226.583590495
    236.5113575558
    246.5113575558
    256.5142075422
    264.0115075236
    276.5113575558
    286.5143560475
    296.5145075509
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    表  7  回归模型误差统计分析

    统计项目数值
    相关系数R-Squared0.993 5
    修正相关系数Adj R-Squared0.986 9
    预测相关系数Pred R-Squared0.962 4
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    表  8  自激振荡喷嘴回归模型方差分析结果

    方差来源均方误差Fp
    模型61 351.47152.16< 0.000 1
    A-d17.39×1051 832.62< 0.000 1
    B-d297.910.240.629 8
    C-Lc1 677.024.160.060 7
    D-Dc1.33×10-43.31×10-70.999 5
    AB62 906.41156.02< 0.000 1
    AC2 312.125.730.031 2
    AD2.225.52×10-30.941 8
    BC5 453.9713.530.002 5
    BD1.473.64×10-30.952 7
    CD47.920.120.735 4
    A232 164.6179.77< 0.000 1
    B223 519.4858.33< 0.000 1
    C21 428.23.540.080 8
    D21 144.762.840.114 1
    残差403.2
    失拟项564.47
    纯误差0
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    表  9  优化前后结果对比

    参数优化前优化后
    d1/mm5.95.9
    d2/mm10.79.59
    Dc/mm7273.81
    Lc/mm36.624.22
    F/N423504
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  • 收稿日期:  2018-09-12
  • 刊出日期:  2019-09-05

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