CN107526914B

CN107526914B - 基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法

Info

Publication number: CN107526914B
Application number: CN201611233044.4A
Authority: CN
Inventors: 郑水英; 吴价; 李梦喧; 刘淑莲; 应光耀
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2036-12-28
Also published as: CN107526914A

Abstract

本发明公开了一种基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法。该方法是通过：1、建立可倾瓦滑动轴承的三维CFD计算模型，2、计算模型采用结构化网格进行划分，3、在FLUENT中加载模型的网格文件以及变流域动网格更新程序，4、在FLUENT中指定网格变形区域并设置求解参数进行三维瞬态流场计算。本发明是为了解决我国旋转机械在大型化、高速化及大容量化发展过程中因滑动轴承性能不足导致转子系统稳定裕度降低而引发多种振动故障的问题。本方法在轴颈长时间、大幅度、不规则涡动时仍能保持良好的网格质量使得瞬态计算能够顺利进行。

Description

基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法

【技术领域】

本发明涉及可倾瓦滑动轴承计算流体动力学的技术领域，特别是基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法的技术领域。

【背景技术】

流体动压径向滑动轴承具有承载能力大、功耗小、耐冲击、抗振性好、运转精度高等优点，在大型高速及高速精密的旋转机械(如汽轮机组、工业压缩机、核电机组及各类大型机床)中得到广泛应用，是机械工业中使用广泛、要求严格的关键基础部件之一，其性能的好坏直接影响到整个机组的工作精度、寿命、可靠性和其他诸多技术经济指标。滑动轴承的油膜力既是转子-轴承系统阻尼的主要来源，也可能是导致机组稳定性下降的重要原因。随着旋转机械的大型化、高速化和大容量化，转子-轴承系统出现的振动故障越来越多，越来越复杂，这其中的很多故障都是由转子系统稳定裕度不足而引发的。

滑动轴承的理论研究是以流体动压润滑理论为基础，求解雷诺方程得到轴承的油膜压力分布、承载能力等参数，考虑传热时，对能量方程进行求解，得到油膜温度分布。在此基础上，针对非定常雷诺方程，采用压力扰动法可求解出轴承的动特性系数。滑动轴承的实验研究，可分为静特性实验和动特性实验两大类。滑动轴承静特性是指轴心处于静平衡线上旋转、无外界激振的情况下轴承的静态性能，表征的参数有：承载能力、轴心轨迹以及润滑油温升等；滑动轴承动特性是指轴心在外界激振力作用下处于静平衡位置附近旋转时轴承的动态性能，表征的参数主要是油膜刚度系数和油膜阻尼系数。

随着计算流体动力学软件(CFD software)的出现，人们开始通过直接求解N-S方程来研究轴承动特性。采用CFD建模计算，不仅可以考虑轴承内部的三维流动、流体惯性项的影响，还可以计算高速运转时出现湍流的情况，理论上适用于任意轴承结构型式，因此可以更全面、准确地反映轴承的动特性。具体到可倾瓦滑动轴承油膜的3D瞬态流动计算的实现，遇到的最大技术困难是，瓦块上下表面小间隙润滑流场在空间三个尺度上的尺寸分布非常不均匀，如果采用FLUENT软件提供的动网格更新方法(即弹簧光顺法、动态分层法和网格重构法)处理由轴颈移动和瓦块转动引起的流体域变形后的网格更新，即使时间步长取得非常小，运动一段时间之后，小间隙处的网格也会出现很大的畸变，导致瞬态计算无法继续下去。为了能够借助FLUENT软件研究可倾瓦滑动轴承的瞬态流场，充分发挥CFD软件在研究非线性转子-轴承系统稳定性问题上的优势，急需开发一种新的适用于可倾瓦滑动轴承变流域流场瞬态计算的动网格更新算法。

【发明内容】

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法，在轴颈长时间、大幅度、不规则涡动时仍能保持良好的网格质量使得瞬态计算能够顺利进行。

为实现上述目的，本发明提出了基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法，包括以下步骤：

第一步，将瓦块和轴颈之间间隙、瓦块和轴承静止部件之间间隙、瓦和瓦之间间隙、进油孔定义为计算流体域；所述瓦块和轴颈之间间隙、瓦块和轴承静止部件之间间隙的流体域定义为网格变形区域，网格变形区域简称变形域；使用FLUENT前处理软件GAMBIT构造计算流体域的三维计算模型；

第二步，使用GAMBIT软件对三维计算模型进行网格划分，生成网格文件；变形域处采用六面体结构化网格单元进行划分，瓦和瓦之间间隙、进油孔处采用混合网格单元进行划分；

第三步，使用FLUENT软件读取网格文件，并进行参数设置；所述参数设置包括动网格更新的设置；所述动网格更新的设置是指，在FLUENT中指定变形域、编译并加载基于C语言的自编程动网格程序、将变形域与自编程动网格程序进行关联；

第四步，使用FLUENT软件进行瞬态计算；所述瞬态计算包括设置瞬态计算的时间步长和一个时间步内迭代计算的次数；每个时间步的计算应在给定迭代次数内得到收敛的结果；当一个时间步的计算收敛后即开始下一时间步的计算；每个时间步的计算开始时，变形域内网格将首先进行更新，实现在瞬态计算中轴颈的连续移动和瓦块的连续转动。

作为优选，所述第一步中的变形域是指，瞬态计算过程中，随着轴颈的移动和瓦块的自由转动，流体域的边界将发生变形，变形域内网格节点的坐标也会随之不断变化。

作为优选，所述第三步中的参数设置还包括：计算域入口设置为压力入口边界条件；计算域出口设置为压力出口边界条件，出口压力为大气压；粘度模型采用层流模型；提供瞬态计算的初始条件，所述初始条件为可倾瓦滑动轴承稳态计算的收敛解。

作为优选，所述第四步中的每个时间步的计算开始时，变形域内网格将首先进行更新是指，通过自编程的动网格更新程序读取轴颈和瓦块表面的油膜力，根据油膜力计算轴颈的位移增量和各个瓦块的转动增量，得到变形域边界的变形增量；变形域内网格节点根据所处网格的层数和列数计算出所需位移增量；在上一时间步网格节点位置坐标的基础上添加位移增量，完成该节点位置坐标的更新；完成变形域内所有网格节点位置坐标的更新后，存储当前轴颈位置坐标和移动速度、当前瓦块转过的角度和转动角速度、更新后的网格节点位置坐标信息。

作为优选，所述变形域内网格节点根据所处网格的层数和列数计算出所需位移增量是指，对变形域按旋转周期性进行分区，根据瓦块数量N划分为N个周向对称的分区；每个分区包括了一个瓦块和轴颈之间的间隙和一个瓦块和轴承静止部件之间的间隙，瓦块和轴颈之间间隙定义为瓦上间隙，瓦块和轴承静止部件之间间隙定义为瓦背间隙；在更新变形域内网格节点坐标时，首先判断节点在瓦上还是瓦背，然后根据节点所处网格层数和列数计算节点所需位移增量。

作为优选，所述判断节点在瓦上还是瓦背是指，根据节点到轴承中心的距离判断节点是位于瓦上间隙还是位于瓦背间隙，当节点位于瓦上间隙时，变形域的上下边界均发生变形，上边界的变形由轴颈的移动产生，下边界的变形由瓦块的转动产生；当节点位于瓦背间隙时，变形域的上边界发生变形下边界静止，上边界的变形由瓦块的转动产生。

本发明的有益效果：本发明在轴颈长时间、大幅度、不规则涡动时仍能保持良好的网格质量使得瞬态计算能够顺利进行。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法的流程图；

图2是本发明基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法的以四瓦可倾瓦滑动轴承为例的变形域分区示意图；

图3是本发明基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法的分区内瓦块与轴颈之间间隙网格划分示意图；

图4是本发明基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法的瓦块与轴颈之间间隙内网格节点移动示意图。

图中：1-瓦块之间流体域、2-瓦块与轴颈之间小间隙流体域、3-瓦块与轴承外圈静止部件之间小间隙流体域。

【具体实施方式】

参阅图1、图2、图3和图4，本发明，包括以下步骤：

具体的，所述第一步中的变形域是指，瞬态计算过程中，随着轴颈的移动和瓦块的自由转动，流体域的边界将发生变形，变形域内网格节点的坐标也会随之不断变化。

具体的，所述第三步中的参数设置还包括：计算域入口设置为压力入口边界条件；计算域出口设置为压力出口边界条件，出口压力为大气压；粘度模型采用层流模型；提供瞬态计算的初始条件，所述初始条件为可倾瓦滑动轴承稳态计算的收敛解。

具体的，所述第四步中的每个时间步的计算开始时，变形域内网格将首先进行更新是指，通过自编程的动网格更新程序读取轴颈和瓦块表面的油膜力，根据油膜力计算轴颈的位移增量和各个瓦块的转动增量，得到变形域边界的变形增量；变形域内网格节点根据所处网格的层数和列数计算出所需位移增量；在上一时间步网格节点位置坐标的基础上添加位移增量，完成该节点位置坐标的更新；完成变形域内所有网格节点位置坐标的更新后，存储当前轴颈位置坐标和移动速度、当前瓦块转过的角度和转动角速度、更新后的网格节点位置坐标信息。

具体的，所述变形域内网格节点根据所处网格的层数和列数计算出所需位移增量是指，对变形域按旋转周期性进行分区，根据瓦块数量N划分为N个周向对称的分区；每个分区包括了一个瓦块和轴颈之间的间隙和一个瓦块和轴承静止部件之间的间隙，瓦块和轴颈之间间隙定义为瓦上间隙，瓦块和轴承静止部件之间间隙定义为瓦背间隙；在更新变形域内网格节点坐标时，首先判断节点在瓦上还是瓦背，然后根据节点所处网格层数和列数计算节点所需位移增量。

具体的，所述判断节点在瓦上还是瓦背是指，根据节点到轴承中心的距离判断节点是位于瓦上间隙还是位于瓦背间隙，当节点位于瓦上间隙时，变形域的上下边界均发生变形，上边界的变形由轴颈的移动产生，下边界的变形由瓦块的转动产生；当节点位于瓦背间隙时，变形域的上边界发生变形下边界静止，上边界的变形由瓦块的转动产生。

本发明工作过程：

本发明基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法在工作过程中，按照上述步骤操作即可实现变流域流场计算。在上述步骤中，以瓦块和轴颈之间间隙内网格节点为例来说明如何根据节点所处网格层数和列数计算节点所需位移增量，如附图4所示，图中S点为初始状态，S’为当前步，底部为瓦块支点。轴颈的移动和瓦块的转动按比例均匀地传递给内部的网格节点，具体是，附图4中轴颈和瓦块运动后P点的位移为

Ni表示P点所在网格层数(从轴颈端数起)，N表示总的径向网格层数。

在上述步骤中，节点所处网格层数和列数的判断方法为，先不考虑瓦块转动的影响，将S’当前步变流域内节点P的位置坐标减去轴颈移动引起的位移得到初始状态节点P的位置坐标，计算节点到轴颈表面的距离除以轴承的径向间隙判断节点所在的层数，计算节点和轴承中心连线的倾斜角判断节点所在的列数。由于将节点P的坐标还原到初始状态时忽略了瓦块转动的影响，所以上面计算出的距离和倾斜角与初始状态下的值并不完全相同。在判断层数和列数时，设定距离的容差为0.02mm，倾斜角的容差为0.1°。

本发明，在轴颈长时间、大幅度、不规则涡动时仍能保持良好的网格质量使得瞬态计算能够顺利进行。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims

1.基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法，其特征在于：所述第一步中的变形域是指，瞬态计算过程中，随着轴颈的移动和瓦块的自由转动，流体域的边界将发生变形，变形域内网格节点的坐标也会随之不断变化。

3.如权利要求1所述的基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法，其特征在于：所述第四步中的每个时间步的计算开始时，变形域内网格将首先进行更新是指，通过自编程的动网格更新程序读取轴颈和瓦块表面的油膜力，根据油膜力计算轴颈的位移增量和各个瓦块的转动增量，得到变形域边界的变形增量；变形域内网格节点根据所处网格的层数和列数计算出所需位移增量；在上一时间步网格节点位置坐标的基础上添加位移增量，完成该节点位置坐标的更新；完成变形域内所有网格节点位置坐标的更新后，存储当前轴颈位置坐标和移动速度、当前瓦块转过的角度和转动角速度、更新后的网格节点位置坐标信息。

4.如权利要求3所述的基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法，其特征在于：所述变形域内网格节点根据所处网格的层数和列数计算出所需位移增量是指，对变形域按旋转周期性进行分区，根据瓦块数量N划分为N个周向对称的分区；每个分区包括了一个瓦块和轴颈之间的间隙和一个瓦块和轴承静止部件之间的间隙，瓦块和轴颈之间间隙定义为瓦上间隙，瓦块和轴承静止部件之间间隙定义为瓦背间隙；在更新变形域内网格节点坐标时，首先判断节点在瓦上还是瓦背，然后根据节点所处网格层数和列数计算节点所需位移增量。

5.如权利要求4所述的基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法，其特征在于：所述判断节点在瓦上还是瓦背是指，根据节点到轴承中心的距离判断节点是位于瓦上间隙还是位于瓦背间隙，当节点位于瓦上间隙时，变形域的上下边界均发生变形，上边界的变形由轴颈的移动产生，下边界的变形由瓦块的转动产生；当节点位于瓦背间隙时，变形域的上边界发生变形下边界静止，上边界的变形由瓦块的转动产生。