CN108345714B - 一种内环向射流稳压腔参数设计的数值模拟方法 - Google Patents

一种内环向射流稳压腔参数设计的数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内环向射流稳压腔参数设计的数值模拟方法，该稳压腔与高压圆盘气体轴承配对使用，属于高压气体润滑技术领域。该方法通过建立轴承、稳压腔的一体化几何模型和二维计算域，对二维计算域网格进行划分，建立相应的计算流体力学模型，进行定常和非定常流场数值模拟，先绘出内环向撞击射流的流动稳定图谱，再根据流动稳定图谱确定稳压腔内径D和环槽宽度h，以及环槽位置H和腔顶距离I的取值范围，最后通过对定常数值模拟结果进行处理，获得流场结构与稳压腔参数的对应关系。本发明方法降低了流场设计成本，简化了实验研究，节约时间和经费，提高了数值模拟在稳压腔参数设计过程中的实际应用性。

Description

一种内环向射流稳压腔参数设计的数值模拟方法
技术领域
本发明涉及高压气体润滑技术领域，具体涉及一种内环向射流稳压腔参数设计的数值模拟方法，该稳压腔与高压圆盘气体轴承配对使用。
背景技术
专利号为201610049454.7的发明专利“一种采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承及设计方法”，通过对轴承结构的流线型设计，实现了轴承间隙的超音速出流，消除供气压力的限制。但是供气管道输送给轴承的高压空气，速度均匀性与轴承过渡段入口截面(即稳压腔的气流出口截面)所要求的速度均匀性差异较大，因此需要一个气流稳定装置来提高气流的均匀性，这种装置称为稳压腔。
申请号为201710051054.4的发明专利申请“一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔”，克服了现有稳压腔结构的不足，借鉴平面撞击流的工作原理，构造出内环向撞击射流，射流沿径向朝内腔对称轴流动的同时，沿轴线方向从与轴承相联一侧的开孔流出。在内环向撞击射流处于稳定分离流状态时，过中心轴线的任意截面上，流场参数完全一样，稳压腔内的流场是理想的二维柱对称流动，可以与高压圆盘止推气体轴承流道内的二维柱对称流动实现良好匹配，使高压圆盘气体轴承间隙内的超音速流场稳定和均匀。
目前学术界对撞击流稳定性的研究主要集中于多喷嘴对置式撞击流和平面撞击流。如Devahastin等人在论文“A numerical study of flow and mixingcharacteristics of laminar confined impinging streams”(Sakamon Devahastin,Arun S.Mujumdar.Chemical Engineering Journal,2002,85(2–3):215-223.)中使用数值模拟研究了小间距二维层流受限空间中，平面撞击流的径向出流规律，结果表明：随着入口雷诺数和出口槽宽与进气槽宽的比值的增加，平面撞击流逐渐由稳定撞击流变为周期性碰撞摆动，直到变为随机碰撞摆动，其稳定图谱分为三个区域：(A)稳定区，(B)周期性碰撞区，(C)随机碰撞区，如图2所示。
内环向撞击射流是新出现的一种流动形式，目前对内环向撞击射流和内环向射流稳压腔的研究极其少见，缺乏系统完善的内环向射流稳压腔的参数设计方法。
发明内容
本发明的目的是针对高压气体润滑系统设计中现有技术的不足，提出一种内环向射流稳压腔参数设计的数值模拟方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种内环向射流稳压腔参数设计的数值模拟方法，包括如下步骤：
步骤一，建立高压圆盘气体轴承和内环向射流稳压腔的一体化几何模型，构建二维计算域；
将高压圆盘气体轴承与内环向射流稳压腔装配在一起，形成一体化几何模型，该模型关于圆盘轴线轴对称以及轴承间隙中心截面平面对称，二维计算域缩简为一体化几何模型的四分之一；二维计算域包含气体进入内环向射流稳压腔后的整个流道，分为稳压腔腔体、过渡段、收缩段、轴承间隙和径向射流段五部分；径向射流段的长度等于圆盘的厚度与半气膜间隙之和，宽度大于100倍的气膜间隙高度；
步骤二，二维计算域网格划分；
对步骤一建立的二维计算域进行网格划分，除了收缩段处的网格为三角形非结构网格，稳压腔腔体、过渡段、轴承间隙和径向射流段均为四边形结构网格；对轴承间隙进行网格细化处理，在保证轴承间隙网格精度的同时，使网格尺寸过渡平滑；
步骤三，建立计算流体力学模型；
二维计算域的计算流体力学模型建立如下：控制方程采用可压缩Navier-Stokes方程，将流体视为满足理想气体状态方程的气体；控制方程组包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、状态方程和湍流模型；
质量守恒方程：
Figure GDA0002977906750000021
动量守恒方程：
Figure GDA0002977906750000022
Figure GDA0002977906750000023
其中应力与变形率的关系为：
Figure GDA0002977906750000024
Figure GDA0002977906750000031
Figure GDA0002977906750000032
式中：
Figure GDA0002977906750000033
能量守恒方程：
Figure GDA0002977906750000034
状态方程：p＝ρRT (5)
上述各式中：ρ为密度，t为时间，r、x为气体微元的位置分量；ur、ux分别为速度矢量在r轴和x轴上的分量；τrr、τxx、τrx、τxr为表面应力；p为压力，μ为动力粘性系数，λ为第二粘性系数；
Figure GDA0002977906750000035
为速度矢量；R为气体常数；T为温度，Cv为比定容热容；κ为导热系数；
动力粘性系数μ采用Sutherland公式计算，即：
Figure GDA0002977906750000036
式中：T0＝273.15K；μ0＝1.716×10-5Pa·s；Ts＝110.56K；
湍流模型为标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型、标准k-ω模型和SST k-ω模型其中的一种；
步骤四，进行初始定常流场数值模拟；
在计算流体动力学求解器中，对计算参数进行初始化：流场入口设为压力入口，出口设为压力出口，轴承间隙中心截面为对称面，圆盘轴心线为对称轴，壁面为固定无滑移壁面；基于上述边界条件，不考虑流场特性参数随时间的变化，利用计算流体动力学求解器进行定常流场数值计算，得到流场区域的速度和压力分布情况；
步骤五，进行非定常流场数值模拟，绘出不同环槽位置H时，内环向射流稳压腔内的内环向撞击射流的流动稳定图谱；
(5.1)预先给定某一环槽位置H的值；
(5.2)确定雷诺数的计算范围；
给定高压圆盘气体轴承的设计流量qmax，根据下式可确定稳压腔环槽喷口的入口雷诺数范围：
Figure GDA0002977906750000041
当内环向射流稳压腔内径D等于过渡段直径d时，取得最大入口雷诺数；最小入口雷诺数取Rein＝100；
(5.3)先将环槽喷口布置在内环向射流稳压腔长度的中心位置上，即H＝I，绘出过渡段直径d与喷口宽度h的比值d/h与入口雷诺数Rein之间的流动稳定曲线；
(5.3.1)给定某一径宽比d/h，因过渡段直径d在设计高压圆盘气体轴承收缩段型线时就已确定，故由径宽比可确定环槽喷口的宽度h；按最小入口雷诺数确定的模型尺寸，进行步骤四的定常流场数值模拟，然后将定常流场数值模拟结果作为初始条件进行瞬态非定常流场数值模拟，根据计算结果判断内环向射流稳压腔内的内环向撞击射流的状态，如果内环向撞击射流是稳定的分离流，说明在此入口雷诺数下，撞击流处于稳定工作区；
(5.3.2)按雷诺数加倍后对应的模型尺寸，重复进行步骤(5.3.1)的工作，采用进退法确定临界雷诺数所在的区间；再采用一维搜索法确定对应给定径宽比d/h时的临界雷诺数Rec；在以径宽比d/h为纵轴、以Rein为横轴的坐标系中获得一个坐标点(Rec，d/h)；
(5.3.3)改变径宽比d/h的取值，重复步骤一至步骤(5.3.1)、(5.3.2)的工作，可以作出若干个坐标点；将该若干坐标点拟合成一条曲线，就是径宽比d/h与入口雷诺数Rein之间的流动稳定曲线；流动稳定曲线将坐标平面分为两个区域，流动稳定曲线与两个坐标轴围成的区域是内环向撞击射流的稳定工作区，另一个区域是非稳定的碰撞区；
(5.4)改变环槽喷口至腔顶的距离，即改变I的数值，重复步骤一至步骤(5.3)的工作，作出不同环槽喷口至腔顶距离I所对应的流动稳定曲线，构成对应某一环槽位置H时，内环向撞击射流的流动稳定图谱；
(5.5)重复步骤一至步骤(5.4)的工作，得到对应不同环槽位置H时的流动稳定图谱；内环向射流稳压腔的长度L等于环槽位置H与喷口至腔顶的距离I之和；
步骤六，根据流动稳定图谱确定入口雷诺数Rein、径宽比d/h的具体数值，以及环槽位置H和喷口至腔顶的距离I的取值范围；
根据高压圆盘气体轴承的设计流量qmax，在稳定图谱的稳定工作区内先确定入口雷诺数Rein，继而根据式(7)确定内环向射流稳压腔的内径D；在稳定工作区内确定径宽比d/h，继而确定环槽喷口的宽度h；根据不同环槽位置H的流动稳定图谱，选取环槽位置H和喷口至腔顶的距离I的取值范围；
步骤七，获得最终的内环向射流稳压腔尺寸参数；
(1)在喷口至腔顶的距离I的取值范围内给定某一值，再在环槽位置H的取值范围内选择一个具体的值，进行步骤四的定常流场数值模拟，获得高压情况下轴承间隙内部的流动情况；对计算结果进行后处理，获得轴承收缩段出口截面的速度分布曲线及速度矢量图；若轴承收缩段出口截面上的主流区马赫数能够达到1，且该截面上的速度矢量平行度较好，则此环槽位置H是可行的；
(2)对比分析不同的环槽位置H时，内环向射流稳压腔出口截面速度分布均匀性与内环向射流稳压腔内部漩涡分布情况，获得合理的环槽位置H；
(3)确定环槽位置H后，在喷口至腔顶的距离I的取值范围内，选择不同的I值，进行步骤四的定常流场数值模拟，得到高压情况下轴承间隙内部的流动情况，对计算结果进行后处理，判断I取值的可行性；
(4)通过进一步分析不同的喷口至腔顶的距离I时，内环向射流稳压腔出口截面速度均匀性与内环向射流稳压腔内部漩涡分布情况，获得合理的I值。
至此，内环向射流稳压腔的关键设计参数－环槽入口雷诺数Rein、稳压腔内径D、环槽喷口宽度h、环槽位置H、环槽喷口至腔顶的距离I均已确定。
所述步骤六中环槽入口雷诺数Rein的取值，是根据步骤五绘制的内环向撞击射流的流动稳定图谱来确定，要让入口雷诺数Rein位于图谱的稳定区域内，保证内环向撞击射流处于稳定的分离流状态。
所述步骤七中可行环槽位置H或可行的喷口至腔顶距离I的含义是，能够让轴承收缩段出口截面上的主流区马赫数达到1，即该截面是整个流道的临界截面，且该截面上的速度矢量平行度较好：
所述步骤七中合理环槽位置H或合理的喷口至腔顶距离I的含义是，在环槽位置H及喷口至腔顶距离I可行的基础上，能够让稳压腔出口截面上主流区内各点的速度变化平缓；且稳压腔内的漩涡分布在壁面附近，喷口到稳压腔出口的主流流线区内不出现漩涡。所述内环向射流稳压腔，包括对称设置在工作圆盘(18,20)两侧的上稳压腔腔体1、下稳压腔腔体16，所述上稳压腔腔体1外部同轴设置有大直径环形管道6，上稳压腔腔体1内壁沿周向开设有环槽2，环槽2用于将大直径环形管道6中的气体引入腔体内部并形成内环向射流；所述下稳压腔腔体16上设置有与上稳压腔腔体1上下对称的大直径环形管道10、环槽14。
上稳压腔腔体1内部还沿周向均布有圆形通孔3，圆形通孔3一端与环槽2相连通，圆形通孔3另一端通过快换接头4与小直径高压管5相连通继而小直径高压管5通过快换接头4与大直径环形管道6相连通；所述下稳压腔腔体16上设置有与上稳压腔腔体1上下对称的圆形通孔13、快换接头11、小直径高压管12。
所述环槽2的宽度略大于圆形通孔3的直径。
所述环槽2、圆形通孔3、快换接头4、小直径高压管5、大直径环形管道6的中心线均位于同一水平面。
所述大直径环形管道6外部还设置有直通式管接头8。
支撑架7、15用于将大直径环形管道6、10分别固定在上稳压腔腔体1、下稳压腔腔体16上。
所述高压圆盘气体轴承，包括平行设置的上工作圆盘18和下工作圆盘20，上工作圆盘18和下工作圆盘20之间构成轴承间隙出口19，上工作圆盘18中心设置有供气部件23，供气部件23还与上游稳压腔相连接；供气部件23中心开设有供气孔17，用于引入气流；供气孔17下游设有曲面造型的双对称收缩段25，用于将轴向低速来流平顺地加速为径向亚音速气流；
下工作圆盘20上设置有与上工作圆盘18上下对称的供气部件24、供气孔22和收缩段26。
上工作圆盘18和下工作圆盘20同轴设置，以旋转轴线为轴心。
所述供气部件23与上工作圆盘18通过螺钉相连，供气部件24与下工作圆盘20通过螺钉相连。
本发明内环向射流稳压腔参数设计的数值模拟方法的有益效果在于：
1、本发明方法针对高压圆盘气体轴承与内环向射流稳压腔装配后形成的一体化几何模型进行定常流场数值模拟，能够实现对高压圆盘气体轴承间隙流场情况进行快速的数值预测，通过对轴承收缩段出口截面速度分布的分析，获得可行的内环向射流稳压腔设计参数，提高数值预测结果的可信度；
2、本发明方法通过对一体化模型的非定常流场数值模拟，获得不同环槽位置H时的内环向撞击射流的流动稳定图谱，从而可以充分利用撞击流在稳定分离流态下的稳压作用，提高轴承过渡段入口气流的稳定性和均匀性；
3、本发明方法将定常流场数值模拟和非定常流场数值模拟结合起来，不仅提高了数值计算的稳定性和实用性，还可以大幅度减少实验次数，节约实验成本。
附图说明
图1是本发明方法的流程框图；
图2的a部分是Devahastin的平面撞击流几何模型结构示意图；其中W为入口宽度，H为出口宽度；
图2的b部分是Devahastin的平面撞击流几何模型的流动稳定曲线图；其中横坐标变量Rej是入口雷诺数，纵坐标变量H/W是出口宽度与入口宽度比值；
图3是内环向射流稳压腔及高压圆盘气体轴承的一体化几何模型；
图4是计算域组成及边界条件示意图；
图5是计算域整体网格划分；
图6的a部分是轴承收缩段与平行间隙交界处的网格划分，为图4中的a位置的局部放大图；图6的b部分是平行间隙与超音速射流区交界处的网格划分，为图4中的b位置的局部放大图；
图7是内环向射流稳压腔内部速度等值线图；
图8是内环向射流稳压腔内部流线图；
图9是轴承过渡段及收缩段处的马赫数等值线图；
图10是不同环槽位置H时收缩段出口截面的马赫速分布图，6条曲线完全重合；
图11的a部分是H＝10mm时收缩段出口截面的速度矢量图；
图11的b部分是H＝110mm时收缩段出口截面的速度矢量图；
图12是不同环槽位置H时的内环向射流稳压腔出口截面速度分布曲线；
图13是不同的环槽喷口至腔顶距离I时的内环向射流稳压腔出口截面速度分布曲线；
图14的a部分是I＝10mm时的内环向射流稳压腔流线图；
图14的b部分是I＝20mm时的内环向射流稳压腔流线图；
图14的c部分是I＝30mm时的内环向射流稳压腔流线图；
图14的d部分是I＝40mm时的内环向射流稳压腔流线图；
图14的e部分是I＝50mm时的内环向射流稳压腔流线图；
图14的f部分是I＝60mm时的内环向射流稳压腔流线图；
图14的g部分是I＝70mm时的内环向射流稳压腔流线图；
图15是内环向射流稳压腔的结构示意图；
图16是图15的A-A向剖视图；
图17是高压圆盘气体轴承的结构示意图。
图中，1为上稳压腔腔体，2、14为环槽，3、13为圆形通孔，4、11为快换接头，5为高压管，6、10为环形管道，7、15为支撑架，8、9为直通式管接头，12为下稳压腔高压管，16为下稳压腔腔体，17为上工作圆盘供气孔，18为上工作圆盘，19为轴承间隙出口，20为下工作圆盘，21为收缩段出口，22为下工作圆盘供气孔，23、24为供气部件,25、26为收缩段。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
一种内环向射流稳压腔参数设计的数值模拟方法，如图1所示，主要由以下步骤实现：
步骤一：建立高压圆盘气体轴承、内环向射流稳压腔的一体化几何模型和二维计算域；
如图3所示，内环向射流稳压腔的出口截面就是高压圆盘气体轴承过渡段的入口截面；轴承采用双对称收缩段高压圆盘气体轴承，圆盘间隙0.3mm，收缩段出口半径30mm，圆盘出口半径90mm，过渡段直径d＝10mm；轴承的质量流量公式为：
Figure GDA0002977906750000081
式中：K＝0.0404；Acr是流道中的最小截面的面积，即收缩段出口截面的面积；p*是气源压力；T*是气源温度；高压圆盘气体轴承的设计质量流量qmax，是在收缩段出口截面上能通过的最大质量流量。取qmax＝0.0626kg/s。
建立高压圆盘气体轴承、内环向射流稳压腔的一体化几何模型，需要首先给出模型的初始尺寸D、h、H、I，稳压腔长度L等于H与I之和。初始尺寸应在内环向射流的流动稳定图谱的稳定工作区中选择。步骤二至步骤五的工作是绘出不同环槽位置H时，稳压腔内的内环向撞击射流的流动稳定图谱；为简便起见，这里运用类比的方法，采用Devahastin的流动稳定曲线图进行设计：在图2所示流动稳定图的稳定工作区内，选择环槽入口雷诺数Rein＝3000，随后根据(7)式可确定稳压腔的内径D≈180mm。在图2的稳定工作区内，选择径宽比d/h＝1，因过渡段直径d在设计轴承收缩段型线时就已确定，环槽喷口的宽度h＝10mm。
根据试算的情况，可以确定环槽位置H的取值范围为10～110mm，环槽喷口至腔顶距离I的取值范围为10～70mm。
预先取环槽位置H＝110mm，环槽喷口至腔顶距离I＝110mm。
模型关于圆盘轴线轴对称以及轴承间隙中心截面平面对称，计算域简化为原模型的四分之一，如图4所示；初始计算参数为：d＝10mm，D＝180mm，h＝10mm，H＝110mm，I＝110mm，L＝220mm。
步骤二：二维计算域网格划分；
对步骤一建立的二维流域进行网格划分，其中除了轴承收缩段处的网格为三角形非结构网格，其它均为四边形结构网格；轴承间隙计算域较小，尽量保证轴承间隙的网格精度，如图5和图6所示；
步骤三：建立计算流体力学模型；
采用可压缩Navier-Stokes方程，将流体视为满足理想气体状态方程的气体。控制方程组包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、状态方程和湍流模型。
步骤四：进行初始定常流场数值模拟；
在计算流体动力学求解器中，对计算参数进行初始化：流场入口给定压力入口为4.5atm，出口给定压力出口为1atm，轴承间隙中心截面为对称面，圆盘轴心线为对称轴，壁面为固定无滑移壁面，具体设置如图4所示；
基于上述边界条件和初始条件，不考虑流场特性参数随时间的变化，采用SST k-ω湍流模型，利用计算流体动力学求解器进行定常流场数值计算，对计算结果进行后处理。
获得如图7、图8所示的流场计算域的速度等值线图及流线图，可以看出：内环向射流稳压腔环槽入口速度在0.87m/s左右，从环槽入口流向稳压腔出口的过程中速度先减小，随后在接近稳压腔出口处速度上升。受入口气流和稳压腔内壁面的影响，入口两侧形成两个较大尺度的旋涡和两个中等尺度的小漩涡，漩涡中心附近区域的速度很小，在0.09m/s左右；漩涡的外围速度增大，其中靠近稳压腔出口截面的大尺度漩涡的外围速度可达1.89m/s。
如图9所示的轴承收缩段马赫数等值线图，可以看出：气体进入过渡段后，在轴承间隙中心平面上发生撞击，沿轴向的速度分量减小，轴向速度转变为径向速度，并沿收缩段径向加速，且未发生流动分离现象。如图10所示的收缩段出口截面的速度分布，可以看到在收缩段出口截面附近达到了临界声速，在主流区(x＝0-0.13mm)速度值相差不大，均匀性较好；图11所示的收缩段出口截面的速度矢量图中，可以看出，气体平行于圆盘壁面流动，平行度好，没有流动分离现象发生，说明H＝110mm，I＝110mm是可行的初始值。
步骤五，这里按Devahastin的流动稳定曲线图进行设计；
步骤六：根据流动稳定图谱确定入口雷诺数Rein＝3000，径宽比d/h＝1，以及环槽位置H的取值范围为10～110mm，环槽喷口至腔顶距离I的取值范围为10～110mm。
步骤七：获得最终的内环向射流稳压腔尺寸参数；
将环槽喷口置于稳压腔长度的中心位置，即I总是等于H，调整环槽位置H，调整的幅度为10～110mm，对应稳压腔长度L的范围为20～220mm。通过对计算域的定常数值模拟可以发现，不同的H值均能使收缩段出口截面附近达到临界音速，且该截面上速度矢量的平行度较好，环槽位置H在10-110mm范围内取值都是可行的。图12为不同环槽位置H时稳压腔出口截面速度分布图，可以看出：H＝70mm和H＝110mm时截面上的最大速度较小，但H＝70mm时速度变化更为平缓，H＝70mm时的均匀性能比其它取值时要好，选环槽位置H等于70mm；
在确定了合理内环槽位置H＝70mm的情况下，固定环槽喷口的位置H，调整环槽喷口至腔顶距离I的取值范围为10-70mm。通过对计算域的定常数值模拟可以发现，不同的I值均能使收缩段出口截面附近达到临界音速，且该截面上速度矢量的平行度较好，环槽喷口至腔顶距离I在10-70mm范围内取值都是可行的。如图13为不同I时的稳压腔出口截面速度分布图，可以看出：环槽喷口至腔顶距离I对稳压腔出口速度分布影响很小。图14为不同的环槽喷口至腔顶距离I时的稳压腔流线图，可以看出：I＝40,50,60,70mm时，环槽喷口两侧的两个大尺度漩涡比较均衡，主流流线区域更易稳定，且从减小稳压腔的整体尺寸、节省制造成本的角度出发，确定合理的环槽喷口至腔顶距离I为40mm。
获得的最终内环向射流稳压腔的尺寸参数为：
D＝180mm，h＝10mm，H＝70mm，I＝40mm，L＝110mm。

Claims (2)

1.一种内环向射流稳压腔参数设计的数值模拟方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，建立高压圆盘气体轴承和内环向射流稳压腔的一体化几何模型，构建二维计算域；
所述内环向射流稳压腔，包括对称设置在工作圆盘两侧的上稳压腔腔体、下稳压腔腔体，所述上稳压腔腔体外部同轴设置有大直径环形管道，上稳压腔腔体内壁沿周向开设有环槽，环槽用于将大直径环形管道中的气体引入腔体内部并形成内环向射流；所述下稳压腔腔体上设置有与上稳压腔腔体上下对称的大直径环形管道、环槽；上稳压腔腔体内部还沿周向均布有圆形通孔，圆形通孔一端与环槽相连通，圆形通孔另一端通过快换接头与小直径高压管相连通继而小直径高压管通过快换接头与大直径环形管道相连通；所述下稳压腔腔体上设置有与上稳压腔腔体上下对称的圆形通孔、快换接头、小直径高压管；所述环槽的宽度略大于圆形通孔的直径；所述环槽、圆形通孔、快换接头、小直径高压管、大直径环形管道的中心线均位于同一水平面；所述大直径环形管道外部还设置有直通式管接头；支撑架用于将大直径环形管道分别固定在上稳压腔腔体、下稳压腔腔体上；
将高压圆盘气体轴承与内环向射流稳压腔装配在一起，形成一体化几何模型，该模型关于圆盘轴线轴对称以及轴承间隙中心截面平面对称，二维计算域缩简为一体化几何模型的四分之一；二维计算域包含气体进入内环向射流稳压腔后的整个流道，分为稳压腔腔体、过渡段、收缩段、轴承间隙和径向射流段五部分；径向射流段的长度等于圆盘的厚度与半气膜间隙之和，宽度大于100倍的气膜间隙高度；
步骤二，二维计算域网格划分；
对步骤一建立的二维计算域进行网格划分，除了收缩段处的网格为三角形非结构网格，稳压腔腔体、过渡段、轴承间隙和径向射流段均为四边形结构网格；对轴承间隙进行网格细化处理，在保证轴承间隙网格精度的同时，使网格尺寸过渡平滑；
步骤三，建立计算流体力学模型；
二维计算域的计算流体力学模型建立如下：将流体视为满足理想气体状态方程的气体；控制方程组包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、状态方程和湍流模型；其中动量方程采用可压缩Navier-Stokes方程；
所述控制方程组包括以下方程：
质量守恒方程：
Figure FDA0003003684580000011
动量守恒方程：
Figure FDA0003003684580000021
Figure FDA0003003684580000022
其中应力与变形率的关系为：
Figure FDA0003003684580000023
Figure FDA0003003684580000024
Figure FDA0003003684580000025
式中：
Figure FDA0003003684580000026
能量守恒方程：
Figure FDA0003003684580000027
状态方程：p＝ρRT (5)
上述各式中：ρ为密度，t为时间，r为圆柱坐标系的径向位置，x为圆柱坐标系的轴向位置；ur、ux分别为速度矢量在r轴和x轴上的分量；τrr、τxx、τrx、τxr为表面应力；p为压力，μ为动力粘性系数，λ为第二粘性系数；
Figure FDA0003003684580000028
为速度矢量；R为气体常数；T为温度，Cv为比定容热容；κ为导热系数；
动力粘性系数μ采用Sutherland公式计算，即：
Figure FDA0003003684580000029
式中：T0＝273.15K；μ0＝1.716×10-5Pa·s；Ts＝110.56K；
湍流模型为标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型、标准k-ω模型和SST k-ω模型其中的一种；
步骤四，进行初始定常流场数值模拟；
在计算流体动力学求解器中，对计算参数进行初始化：流场入口的边界条件设置为压力入口，出口的边界条件设置为压力出口，轴承间隙中心截面设置为对称面边界，圆盘轴心线为对称轴，壁面为固定无滑移壁面；不考虑流场特性参数随时间的变化，利用计算流体动力学求解器进行定常流场数值计算，得到流场区域的速度和压力分布情况；
步骤五，进行非定常流场数值模拟，绘出不同环槽位置H时，内环向射流稳压腔内的内环向撞击射流的流动稳定图谱；
(5.1)预先给定某一环槽位置H的值；
(5.2)确定雷诺数的计算范围；
给定高压圆盘气体轴承的设计流量qmax，根据下式可确定稳压腔环槽喷口的入口雷诺数范围：
Figure FDA0003003684580000031
当内环向射流稳压腔内径D等于过渡段直径d时，取得最大入口雷诺数；最小入口雷诺数取Rein＝100；动力粘性系数μ采用Sutherland公式计算；
(5.3)先将环槽喷口布置在内环向射流稳压腔长度的中心位置上，即H＝I，绘出过渡段直径d与喷口宽度h的比值d/h与入口雷诺数Rein之间的流动稳定曲线；
(5.3.1)给定某一径宽比d/h，因过渡段直径d在设计高压圆盘气体轴承收缩段型线时就已确定，故由径宽比可确定环槽喷口的宽度h；按最小入口雷诺数确定的模型尺寸，进行步骤四的定常流场数值模拟，然后将定常流场数值模拟结果作为初始条件进行瞬态非定常流场数值模拟，根据计算结果判断内环向射流稳压腔内的内环向撞击射流的状态，如果内环向撞击射流是稳定的分离流，说明在此入口雷诺数下，撞击流处于稳定工作区；
(5.3.2)按雷诺数加倍后对应的模型尺寸，重复进行步骤(5.3.1)的工作，采用进退法确定临界雷诺数所在的区间；再采用一维搜索法确定对应给定径宽比d/h时的临界雷诺数Rec；在以径宽比d/h为纵轴、以Rein为横轴的坐标系中获得一个坐标点(Rec，d/h)；
(5.3.3)改变径宽比d/h的取值，重复步骤一至步骤(5.3.1)、(5.3.2)的工作，可以作出若干个坐标点；将该若干坐标点拟合成一条曲线，就是径宽比d/h与入口雷诺数Rein之间的流动稳定曲线；流动稳定曲线将坐标平面分为两个区域，流动稳定曲线与两个坐标轴围成的区域是内环向撞击射流的稳定工作区，另一个区域是非稳定的碰撞区；
(5.4)改变环槽喷口至腔顶的距离，即改变I的数值，重复步骤一至步骤(5.3)的工作，作出不同环槽喷口至腔顶距离I所对应的流动稳定曲线，构成对应某一环槽位置H时，内环向撞击射流的流动稳定图谱；
(5.5)重复步骤一至步骤(5.4)的工作，得到对应不同环槽位置H时的流动稳定图谱；内环向射流稳压腔的长度L等于环槽位置H与喷口至腔顶的距离I之和；
步骤六，根据流动稳定图谱确定入口雷诺数Rein、径宽比d/h的具体数值，以及环槽位置H和喷口至腔顶的距离I的取值范围；
根据高压圆盘气体轴承的设计流量qmax，在稳定图谱的稳定工作区内先确定入口雷诺数Rein，继而根据式(7)确定内环向射流稳压腔的内径D；在稳定工作区内确定径宽比d/h，继而确定环槽喷口的宽度h；根据不同环槽位置H的流动稳定图谱，选取环槽位置H和喷口至腔顶的距离I的取值范围；
步骤七，获得最终的内环向射流稳压腔尺寸参数；
(1)在喷口至腔顶的距离I的取值范围内给定某一值，再在环槽位置H的取值范围内选择一个具体的值，进行步骤四的定常流场数值模拟，获得高压情况下轴承间隙内部的流动情况；对计算结果进行后处理，获得轴承收缩段出口截面的速度分布曲线及速度矢量图；若轴承收缩段出口截面上的主流区马赫数能够达到1，且该截面上的速度矢量平行度较好，则此环槽位置H是可行的；
(2)对比分析不同的环槽位置H时，内环向射流稳压腔出口截面速度分布均匀性与内环向射流稳压腔内部漩涡分布情况，获得合理的环槽位置H；所述合理环槽位置H或合理的喷口至腔顶距离I的含义是，在环槽位置H及喷口至腔顶距离I可行的基础上，能够让稳压腔出口截面上主流区内各点的速度变化平缓；且稳压腔内的漩涡分布在壁面附近，喷口到稳压腔出口的主流流线区内不出现漩涡；
(3)确定环槽位置H后，在喷口至腔顶的距离I的取值范围内，选择不同的I值，进行步骤四的定常流场数值模拟，得到高压情况下轴承间隙内部的流动情况，对计算结果进行后处理，判断I取值的可行性；所述步骤七中可行环槽位置H或可行的喷口至腔顶距离I的含义是，能够让轴承收缩段出口截面上的主流区马赫数达到1，即该截面是整个流道的临界截面，且该截面上的速度矢量平行度较好；
(4)通过进一步分析不同的喷口至腔顶的距离I时，内环向射流稳压腔出口截面速度均匀性与内环向射流稳压腔内部漩涡分布情况，获得合理的I值；所述合理环槽位置H或合理的喷口至腔顶距离I的含义是，在环槽位置H及喷口至腔顶距离I可行的基础上，能够让稳压腔出口截面上主流区内各点的速度变化平缓；且稳压腔内的漩涡分布在壁面附近，喷口到稳压腔出口的主流流线区内不出现漩涡。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤六中环槽入口雷诺数Rein的取值，是根据步骤五绘制的内环向撞击射流的流动稳定图谱来确定，要让入口雷诺数Rein位于图谱的稳定区域内，保证内环向撞击射流处于稳定的分离流状态。
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