CN112949112A - 一种转子-滑动轴承系统润滑流域动网格并行计算方法 - Google Patents

一种转子-滑动轴承系统润滑流域动网格并行计算方法 Download PDF

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Abstract

一种转子‑滑动轴承系统润滑流域动网格并行计算方法，包括润滑流域前处理操作、并行模拟计算设置操作、结构化动网格计算操作、流场计算操作、后处理操作步骤；转子‑滑动轴承系统润滑流域动网格并行计算方法实现了在并行计算环境下，基于结构化动网格，高速转子‑滑动轴承系统的润滑流域的多核并行模拟，解决了原始的动网格程序在并行计算环境下由于缺少数据传递、汇总、导出功能而导致的无法适用于并行环境的问题，实现了对转子‑滑动轴承系统中转子轴心轨迹的准确高效模拟，克服了现有的计算方法模拟效率较低的弊端，能够在保证计算精度的同时提高计算效率，并对高速转子‑轴承系统进行稳定性预测。

Description

一种转子-滑动轴承系统润滑流域动网格并行计算方法
技术领域
一种转子-滑动轴承系统润滑流域动网格并行计算方法，属于计算流体力学仿真模拟技术领域。
背景技术
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)仿真模拟技术领域中,串行计算只能依靠处理器中的一个线程进行计算，依靠串行计算的方法来进行计算导致计算效率低，且造成极大的计算资源的浪费。因此，随着计算流体力学仿真模拟技术的发展，采用并行技术已经成为提高CFD计算速度的必要手段。
离心压缩机、汽轮机、燃气轮机等高速旋转机械在石油化工、动力工程等领域被广泛使用。该类机械具有运行速度高、工作功率大等特点，是整个生产装置的关键部分。若该类机械停机，生产装置无法正常运行，产品无法及时生产，造成巨大的经济损失。滑动轴承由于其具有承载能力好，摩擦功耗小，耐冲击性能好等优点，因此广泛应用于高速旋转式机械中，其性能的好坏不仅直接决定转子系统的工作寿命，而且关系到整个旋转机械的安全高效长周期运行。随着过程工业的发展，旋转机械逐渐向高速化、轻量化方向发展，使得转子-滑动轴承系统的稳定裕度不断受到挑战。因此，利用计算流体力学仿真模拟技术模拟转子-滑动轴承润滑流域对于预测系统的稳定性具有重要意义；目前，基于用户自定义的结构化动网格模型无法直接使用软件自带的并行程序，导致计算效率低下，严重制约了CFD技术在滑动轴承稳定性方面的研究与应用。
借助动网格的方法实现，现有的动网格技术已经解决了轴承润滑流场的网格畸变较大的问题。因此，滑动轴承的瞬态流场计算需要同时考虑分区域并行计算和在并行计算条件下网格移动方法。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：1、基于用户自定义的变流场动网格技术进行滑动轴承润滑流域计算过程中，只能进行单核计算，制约着流场的计算速度；2、并行计算过程中，流场中的网格节点更新计算无法在同一个时间步内进行；3、并行计算过程中，轴颈中心坐标无法准确获取，无法利用轴心轨迹的时域与频域变化进行快速的转子-滑动轴承系统的稳定性分析。
经分析发现，出现上述问题的主要原因是由于：
1、原始的用户自定义的动网格程序在每经过一个时间步都会控制节点移动更新动网格区域中的网格节点坐标，每个时间步中的网格节点坐标的位移的大小取决于滑动轴承流域中轴颈处非线性油膜力的大小，将原始的用户自定义的动网格程序应用并行计算的过程中，包括轴颈面在内的网格被分开成多个区域并分别映射至多个计算节点中进行计算，由于原始程序缺乏利用函数宏PRF_GRSUM实现全局数据求和，缺乏利用函数宏NODE_TO_HOST_REAL_N实现信息由计算节点向主节点的传递，若依然使用原始的用户自定义的动网格程序，各个计算节点各自计算，无法控制各个节点交换信息，无法对滑动轴承流域中轴颈处油膜压力信息进行通信并汇总，导致轴颈处非线性油膜压力信息无法汇总，直接导致了网格节点移动的位移无法计算，所以原始的用户自定义的动网格程序只能进行单核计算。
2、由于原始的用户自定义的动网格程序应用并行计算的过程中不具有在并行条件下实现信息传递与信息汇总的功能，更新的流场信息无法及时汇总至一个计算节点(0号计算节点)进行计算，得不到整个流场区域中的轴颈处非线性油膜力，同时轴颈处非线性油膜力的准确获取是得到网格节点坐标位置的基础，无法得到非线性油膜力就无法在同一时间步中更新网格节点坐标。
3、对于原始的用户自定义的动网格程序在单核串行的计算过程中，计算时没有主节点和计算节点区别，轴颈中心坐标的导出自然实现。但是对于并行计算来说，轴颈中心坐标的导出需要在主节点中进行，但是轴颈中心的坐标的计算是在计算节点中计算的，需要将轴颈中心坐标信息从计算节点传递到主节点。这时，由于并行计算过程中每个网格区域执行同样的没有主节点和计算节点之分的用户自定义的动网格程序，主节点无法识别正确的程序命令从而导致数据导出错误。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种转子-滑动轴承系统中润滑流域动网格并行计算技术。该技术网格更新适用于多核并行计算、具有准确的信息传递功能、可使动网格程序在不同节点区别化运行，具有数据汇总与正确导出的能力。
为实现上述目的，本发明提出的技术方案为：一种基于结构化动网格的转子-滑动轴承系统润滑流域并行计算方法，包括润滑流域前处理操作、并行模拟计算设置操作、结构化动网格计算操作、流域计算操作、后处理操作步骤，包括：
第一步，润滑流域前处理操作：
S101建立研究对象为刚性圆柱形转子与刚性固定瓦圆柱形滑动轴承系统间隙润滑区域及润滑通路流道，将其定义为润滑流域，将滑动轴承与转子间隙流域定义为结构化动网格区域，简称动网格区域，将系统的进油孔、油楔的润滑通路流域定义为混合网格区域。
S102建立转子-滑动轴承润滑流域网格离散模型，滑动轴承与转子间隙流域采用结构化六面体网格划分，进油孔、油楔的润滑通路流域采用混合网格划分。
第二步，并行模拟计算设置操作：
S201读取步骤S102中网格。利用计算流体力学软件在并行多核计算环境下读取网格离散模型；
S202网格分区。利用并行分区算法根据计算节点的个数对离散模型区域分解并分别映射到各个计算节点；
S203设置边界条件(Boundary conditions)和单元区域条件(Cell zoneconditions)；
S204设置计算条件与计算参数进行稳态计算，保存计算结果。
第三步，结构化动网格计算操作：
编译并加载基于并行计算环境的自定义程序文件，程序文件包括流场区域识别、数据记录、数据汇总、数据传递、数据写入操作。
第四步，流场计算操作：
更新计算条件，在并行计算环境下进行动网格区域内网格的移动与流场计算包括：
S401开始；
S402识别上一时间步轴心初始位置坐标；
S403计算各分区轴颈面所受到的非线性油膜力；
S404主节点接收并传递累加之后轴承轴颈面所受的非线性油膜力，输出文件；
S405计算轴颈面移动加速度、速度及位移信息；
S406更新网格节点坐标；若网格节点坐标已更新，进入步骤S407；
S407记录计算时间并更新轴颈中心坐标；
S408主节点接收轴颈中心坐标和计算时间信息，输出文件；
S409流场计算；
S410若计算时间步>设定计算时间步,计算结束；否则，返回步骤S402。
第五步，后处理操作：
将计算所得数据进行导入并分析，并得到轴心轨迹时域图与频域图。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第一步，润滑流域前处理操作中的S101中转子-滑动轴承系统为刚性圆柱形转子与刚性固定瓦圆柱形滑动轴承系统，所述的动网格区域可以实现在并行计算过程中，结构化六面体网格节点坐标根据转子动力学方程，网格节点更新方程，随瞬态计算的每一时间步更新。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：所述的转子动力学方程如下：
Figure BDA0002924665350000041
其中，M为转子质量，ax、ay分别为轴颈x方向和y方向的加速度，Max、May分别为转子质量与轴颈x方向和y方向加速度的乘积，Fx、Fy为非线性油膜力，e为转子偏心距，N为转子速度，t为时间，g为重力加速度；
所述的网格节点更新方程如下：
Figure BDA0002924665350000042
其中，x，y代表网格坐标位置，下标j，p分别为轴颈中心和任意网格节点的位置，上标t，t+1分别表示当前和下一时间步，
Figure BDA0002924665350000043
为下一时间步的网格节点x坐标，
Figure BDA0002924665350000044
为下一时间步的网格节点y坐标，
Figure BDA0002924665350000045
为当前时间步的网格节点的x坐标，
Figure BDA0002924665350000046
为当前时间步的网格节点的y坐标，
Figure BDA0002924665350000047
为下一时间步的轴颈中心x坐标，
Figure BDA0002924665350000048
为下一时间步的轴颈中心y坐标，
Figure BDA0002924665350000049
为当前时间步的轴颈中心x坐标，
Figure BDA00029246653500000410
为当前时间步的轴颈中心y坐标，Ntotal表示动网格区域中总网格层数，Ni表示网格节点所处网格层数，最外层网格层数为1，向轴颈方向依次递增。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第二步，并行模拟计算操作S201所述的并行环境为基于MPI(Message PassingInterface，消息传递接口)并行框架的计算环境。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第二步，并行模拟计算操作S202所述的离散模型区域分解具体的结果为计算区域内的网格被分解为内部网格和外部网格，内部网格位于网格区域内部，而外部网格实现了网格区域中边界网格的信息传递；同时，每个分区的边界面将被复制到相邻区域的计算节点中，这可以实现每个计算节点都将可以获取相邻区域的面的信息。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第二步并行模拟计算操作S203所述的设置边界条件(Boundary conditions)和单元区域条件(Cell zone conditions)具体操作为：润滑流域为考虑空化效应的气液两相流的层流流动，润滑流体进出口为压力边界条件，润滑流域轴颈表面为转动面；S204所述的设置计算条件计算为采用SIMPLE(Semi-Implicit-Method for Pressure Linked Equations)算法作为压力速度耦合计算方式进行稳态计算以消除初始值对瞬态计算润滑流域的影响。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第四步，流场计算操作所述的更新计算条件为保留稳态计算的结果的基础上压力-速度采用PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法耦合计算，所述的网格的更新和流场计算开始之前，包括以下步骤：保证各个计算节点的负载保持相对平衡，设置动网格动态负载平衡的阈值为20％，设置计算时间步与时间步长。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第四步，流场计算操作所述的S403计算各分区轴颈面所受到的非线性油膜力包括以下步骤：并行计算环境下，系统分为主节点和计算节点，在每个计算节点上识别动网格区域并判断网格是否需要更新，动网格区域为结构化的油膜间隙的网格流域；检索轴颈表面离散单元，识别并行分区域操作之前存在的离散单元即主离散单元，提取每个轴颈表面主离散单元中的压强数据信息与面积数据信息，将各个计算节点计算出的轴颈表面受到压强数据和面积信息按以下公式求和计算：相乘并累加得到各个分域中轴颈表面受到的非线性油膜力。
Figure BDA0002924665350000051
其中，h为区域的编号，
Figure BDA0002924665350000052
和
Figure BDA0002924665350000053
为编号为h分域中的轴颈面所受的非线性油膜力，n为各个分域中轴颈面主离散面数量，pxi和pyi为程序提取出的各分域内轴颈面的压强数据，Axi和Ayi为程序提取出的各分域内轴颈面的面积数据。
利用程序文件中的函数宏PRF_GRSUM对各个分域获得的非线性油膜力全局求和得到总控制域内轴颈表面受到的非线性油膜力，并将得到的总控制域内轴颈表面受到的非线性线性油膜力发送至包括主节点的各个节点，函数宏PRF_GRSUM可以完成向各个计算节点传递轴颈面所受到的非线性油膜力，函数宏NODE_TO_HOST_REAL_N可以完成向主节点传递轴颈面所受到的非线性油膜力，其中函数宏PRF_GRSUM所完成的累加功能所对应的公式如下：
Figure BDA0002924665350000054
其中，Fx和Fy为润滑流域内轴颈表面受到的非线性油膜力，k为并行计算节点(进程)的数量，Fxl和Fyl为编号为l分域中的轴颈面所受的非线性油膜力且1≤l≤k。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第四步，流场计算操作所述的S405计算轴颈面移动加速度、速度及位移信息包括以下步骤：转子动力方程计算得到轴颈表面的加速度，加速度乘以时间步长为当前时间步内的速度增量，将上一时间步的速度加当前时间步的速度增量得到当前时间步内的速度，当前时间步内的速度乘以时间得到当前时间步内的位移信息；所述的S404与S408输出文件为.txt类型文件。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第五步，后处理操作所述的计算所得数据进行导入并分析操作为：将每一时间步获得的轴心坐标的.txt类型的文本文件导入Origin软件,以轴心x坐标为横坐标，以轴心y坐标为纵坐标，画在坐标轴上，取轴心轨迹不再变化时的稳定的轴心轨迹的曲线为当前转子转速条件下的转子-滑动轴承系统轴心轨迹的时域图，利用快速傅里叶变换操作得到轴心轨迹的频域图。与现有技术相比本发明所具有的有益效果是：
(1)实现了在并行计算环境下，基于结构化动网格，高速转子-滑动轴承系统的润滑流域的多核并行模拟，解决了原始的动网格程序在并行计算环境下由于缺少数据传递、汇总、导出功能而导致的无法适用于并行计算环境的问题。
(2)实现了主节点与计算节点执行定制化程序的功能，实现了在非线性油膜力的作用下对于轴心坐标的计算和数据提取操作，对转子-滑动轴承系统中转子轴心轨迹的准确高效模拟，克服了现有的计算方法模拟效率较低的弊端，能够在保证计算精度的同时提高计算效率，并对高速转子-轴承系统进行稳定性预测。
附图说明：
图1转子-滑动轴承系统润滑流域动网格并行计算方法步骤流程框图
图2并行模拟计算设置步骤流程框图
图3并行环境下网格更新步骤流程框图
具体实施方式：
结合附图1～3对本发明转子-滑动轴承系统润滑流域动网格并行计算方法计算方法步骤做说明：
附图1为转子-滑动轴承系统润滑流域动网格并行计算方法步骤流程框图。
一种基于结构化动网格的转子-滑动轴承系统润滑流域并行计算方法，包括润滑流域前处理操作、并行模拟计算设置操作、结构化动网格计算操作、流域计算操作、后处理操作步骤，包括：
第一步，润滑流域前处理操作：
S101建立研究对象为刚性圆柱形转子与刚性固定瓦圆柱形滑动轴承系统间隙润滑区域及润滑通路流道，将其定义为润滑流域，将滑动轴承与转子间隙流域定义为结构化动网格区域，简称动网格区域，将系统的进油孔、油楔的润滑通路流域定义为混合网格区域。
S102建立转子-滑动轴承润滑流域网格离散模型，滑动轴承与转子间隙流域采用结构化六面体网格划分，系统的进油孔、油楔的润滑通路流域采用混合网格划分。
第二步，并行模拟计算设置操作如附图2所示：
S201读取网格。利用计算流体力学软件在并行多核计算环境下读取网格离散模型；
S202网格分区。利用并行分区算法根据计算节点的个数对离散模型区域分解并分别映射到各个计算节点；
S203设置边界条件(Boundary conditions)和单元区域条件(Cell zoneconditions)；
S204设置计算条件与计算参数进行稳态计算，保存计算结果。
第三步，结构化动网格计算操作如附图3所示：
编译并加载基于并行计算环境的自定义程序文件，程序文件包括流场区域识别、数据记录、数据汇总、数据传递、数据写入操作。
第四步，流场计算操作：
更新计算条件，在并行计算环境下进行动网格区域内网格的移动与流场计算包括：
S401开始；
S402识别上一时间步轴心初始位置坐标；
S403计算各分区轴颈面所受到的非线性油膜力；
S404主节点接收并传递累加之后轴承轴颈面所受的非线性油膜力，输出文件；
S405计算轴颈面移动加速度、速度及位移信息；
S406更新网格节点坐标；若网格节点坐标已更新，进入步骤S407；
S407记录计算时间并更新轴颈中心坐标；
S408主节点接收轴颈中心坐标和计算时间信息，输出文件；
S409流场计算；
S410若计算时间步>设定计算时间步,计算结束；否则，返回步骤S402。
第五步，后处理操作：
将计算所得数据进行导入并分析，并得到轴心轨迹时域图与频域图。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第一步，前处理操作中的S101中转子-滑动轴承系统为刚性圆柱形转子与刚性固定瓦圆柱形滑动轴承系统，所述的动网格区域可以实现在并行计算过程中，结构化六面体网格节点坐标根据转子动力学方程，网格节点更新方程，随瞬态计算的每一时间步更新。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：所述的转子动力学方程如下：
Figure BDA0002924665350000081
其中，M为转子质量，ax、ay分别为轴颈x方向和y方向的加速度，Max、May分别为转子质量与轴颈x方向和y方向加速度的乘积，Fx、Fy为非线性油膜力，e为转子偏心距，N为转子速度，t为时间，g为重力加速度；
所述的网格节点更新方程如下：
Figure BDA0002924665350000082
其中，x，y代表网格坐标位置，下标j，p分别为轴颈中心和任意网格节点的位置，上标t，t+1分别表示当前和下一时间步，
Figure BDA0002924665350000083
为下一时间步的网格节点x坐标，
Figure BDA0002924665350000084
为下一时间步的网格节点y坐标，
Figure BDA0002924665350000085
为当前时间步的网格节点的x坐标，
Figure BDA0002924665350000086
为当前时间步的网格节点的y坐标，
Figure BDA0002924665350000087
为下一时间步的轴颈中心x坐标，
Figure BDA0002924665350000088
为下一时间步的轴颈中心y坐标，
Figure BDA0002924665350000089
为当前时间步的轴颈中心x坐标，
Figure BDA00029246653500000810
为当前时间步的轴颈中心y坐标，Ntotal表示动网格区域中总网格层数，Ni表示网格节点所处网格层数，最外层网格层数为1，向轴颈方向依次递增。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第二步，并行模拟计算设置操作中S201所述的并行环境为基于MPI(Message PassingInterface，消息传递接口)并行框架的计算环境。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第二步，并行模拟计算操作S202所述的离散模型区域分解具体的结果为计算区域内的网格被分解为内部网格和外部网格，内部网格位于网格区域内部，而外部网格实现了网格区域中边界网格的信息传递；同时，每个分区的边界面将被复制到相邻区域的计算节点中，这可以实现每个计算节点都将可以获取相邻区域的面的信息。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第二步并行模拟计算操作S203所述的设置边界条件(Boundary conditions)和单元区域条件(Cell zone conditions)具体操作为：润滑流域为考虑空化效应的气液两相流的层流流动，润滑流体进出口为压力边界条件，润滑流域轴颈表面为转动面；S204所述的设置计算条件计算为采用SIMPLE(Semi-Implicit-Method for Pressure Linked Equations)算法进行稳态计算以消除初始值对瞬态计算润滑流域的影响。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第四步，流场计算操作所述的更新计算条件为保留稳态计算的结果的基础上采用PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法，所述的网格的更新和流场计算开始之前，包括以下步骤：保证各个计算节点的负载保持相对平衡，设置动网格动态负载平衡的阈值为20％，设置计算时间步与时间步长。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第四步，流场计算操作所述的S403计算各分区轴颈面所受到的非线性油膜力包括以下步骤：并行计算环境下，系统分为主节点和计算节点，在每个计算节点上识别动网格区域并判断网格是否需要更新，动网格区域为结构化的油膜间隙的网格流域；检索轴颈表面离散单元，识别并行分区域操作之前存在的离散单元即主离散单元，提取每个轴颈表面主离散单元中的压强数据信息与面积数据信息，将各个计算节点计算出的轴颈表面受到压强数据和面积信息按以下公式求和计算：相乘并累加得到各个分域中轴颈表面受到的非线性油膜力。
Figure BDA0002924665350000091
其中，h为区域的编号，
Figure BDA0002924665350000092
和
Figure BDA0002924665350000093
为编号为h的分域中的轴颈面所受的非线性油膜力，n为各个分域中轴颈面主离散面数量，pxi和pyi为程序提取出的各分域内轴颈面的每个主离散面的压强数据，Axi和Ayi为程序提取出的各分域内轴颈面的每个主离散面的面积数据。
利用程序文件中的函数宏PRF_GRSUM对各个分域获得的非线性油膜力全局求和得到总控制域内轴颈表面受到的非线性油膜力，并将得到的总控制域内轴颈表面受到的非线性线性油膜力发送至包括主节点的各个节点，函数宏PRF_GRSUM可以完成向各个计算节点传递轴颈面所受到的非线性油膜力，函数宏NODE_TO_HOST_REAL_N可以完成向主节点传递轴颈面所受到的非线性油膜力，其中函数宏PRF_GRSUM所完成的累加功能所对应的公式如下：
Figure BDA0002924665350000094
其中，Fx和Fy为润滑流域内轴颈表面受到的非线性油膜力，k为并行计算节点(进程)的数量，Fxl和Fyl为编号为l分域中的轴颈面所受的非线性油膜力且1≤l≤k。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第四步，流场计算操作所述的S405计算轴颈面移动加速度、速度及位移信息包括以下步骤：转子动力学方程计算得到轴颈表面的加速度，加速度乘以时间步长为当前时间步内的速度增量，将上一时间步的速度加当前时间步的速度增量得到当前时间步内的速度，当前时间步内的速度乘以时间得到当前时间步内的位移信息；所述的S404与S408输出文件为.txt类型文件。
优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第五步，后处理操作所述的计算所得数据进行导入并分析操作为：将每一时间步获得的轴心坐标的.txt类型的文本文件导入Origin软件,以轴心x坐标为横坐标，以轴心y坐标为纵坐标，画在坐标轴上，取轴心轨迹不再变化时的稳定的轴心轨迹的曲线为当前转子转速条件下的转子-滑动轴承系统轴心轨迹的时域图，利用快速傅里叶变换操作得到轴心轨迹的频域图。
实施例1：沿径向方向两端配置两油楔的进油口的滑动轴承的并行计算。
1.1建立研究对象为沿径向方向两端配置两油楔的进油口的固定瓦圆柱形滑动轴承系统间隙润滑区域及润滑通路流道，将其定义为润滑流域，将所述的滑动轴承与转子间隙流域定义为结构化动网格区域，简称动网格区域，将所述的系统的进油孔、油楔的润滑通路流域定义为混合网格区域。
1.2建立此转子-滑动轴承润滑流域网格离散模型，轴承与轴颈间隙流域采用结构化六面体网格划分，进油孔内流域与油楔内流域采用混合网格划分。
2.1读取网格。利用计算流体力学软件在基于MPI(Message Passing Interface，消息传递接口)并行框架的计算环境下读取网格离散模型；
2.2网格分区。利用并行分区算法根据计算节点的个数对离散模型区域分解并分别映射到各个计算节点；
2.3设置流域为考虑空化效应的气液两相流的层流流动；设置润滑流体进出口边界条件为压力边界条件，润滑流域轴颈表面为转动面；
2.4采用SIMPLE(Semi-Implicit-Method for Pressure Linked Equations)算法进行稳态计算以消除初始值对瞬态计算润滑流域的影响，保存计算结果。
3编译并加载基于并行计算环境的自定义程序文件，程序文件包括流场区域识别、数据记录、数据汇总、数据传递、数据写入操作。
4.1开始；
4.2识别上一时间步轴心初始位置坐标；
4.3计算各分区轴颈面所受到的非线性油膜力；
4.4主节点接收并传递累加之后轴承轴颈面所受的非线性油膜力，输出文件；
4.5计算轴颈面移动加速度、速度及位移信息；
4.6更新网格节点坐标；若网格节点坐标已更新，进入4.7；
4.7记录计算时间并更新轴颈中心坐标；
4.8主节点接收轴颈中心坐标和计算时间信息，输出文件；
4.9保证各个计算节点的负载保持相对平衡，设置动网格动态负载平衡的阈值为20％，设置计算时间步与时间步长，设置PISO(Pressure-Implicit with Splitting ofOperators)算法进行流场计算；
4.10若计算时间步>设定计算时间步,计算结束；否则，返回步骤4.2。
5将计算所得数据进行导入并分析，每一时间步获得的轴心坐标的.txt类型的文本文件导入Origin软件,以轴心x坐标为横坐标，以轴心y坐标为纵坐标，画在坐标轴上，取轴心轨迹不再变化时的稳定的轴心轨迹的曲线为当前转子转速条件下的转子-滑动轴承系统轴心轨迹的时域图，利用快速傅里叶变换操作得到轴心轨迹的频域图。
结合本申请具体实施方式以及给予的实施例1中内容可以看出，本申请的方法可以通过计算机程序指令存储或装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，即可提供这些计算机程序指定到计算机或其他可编程数据处理设备上以产生一个机器，所述机器可执行指令实现流程图的一个流程或多个流程中指定的功能。
本申请的方法可以通过计算机程序指令存储或装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得计算机或其他可编程数据处理设备通过读取指令执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程数据处理设备中执行指令提供用于实现流程图的一个流程或多个流程中指定的功能的步骤。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(SSD))等。

Claims (10)

1.一种基于结构化动网格的转子-滑动轴承系统润滑流域并行计算方法，包括润滑流域前处理操作、并行模拟计算设置操作、结构化动网格计算操作、流域计算操作、后处理操作步骤，其特征是：
第一步，润滑流域前处理操作：
S101建立研究对象为刚性圆柱形转子与刚性固定瓦圆柱形滑动轴承系统间隙润滑区域及润滑通路流道，将其定义为润滑流域：将滑动轴承与转子间隙流域定义为结构化动网格区域，简称动网格区域，将系统的进油孔、油楔的润滑通路流域定义为混合网格区域。
S102建立转子-滑动轴承润滑流域网格离散模型，所述动网格区域采用结构化六面体网格划分，所述混合网格区域采用混合网格划分；
第二步，并行模拟计算设置操作：
S201读取步骤S102中网格；利用计算流体力学软件在并行多核计算环境下读取网格离散模型；
S202网格分区；利用并行分区算法根据计算节点的个数对离散模型区域分解并分别映射到各个计算节点；
S203设置边界条件(Boundary conditions)和单元区域条件(Cell zoneconditions)；
S204设置计算条件与计算参数进行稳态计算，保存计算结果；
第三步，结构化动网格计算操作：
编译并加载基于并行计算环境的自定义程序文件，程序文件包括流场区域识别、数据记录、数据汇总、数据传递、数据写入操作；
第四步，流场计算操作：
更新计算条件，在并行计算环境下进行动网格区域内网格的移动与流场计算包括：
S401开始；
S402识别上一时间步轴心初始位置坐标；
S403计算各分区轴颈面所受到的非线性油膜力；
S404主节点接收并传递累加之后轴承轴颈面所受的非线性油膜力，输出文件；
S405计算轴颈面移动加速度、速度及位移信息；
S406更新网格节点坐标；若网格节点坐标已更新，进入步骤S407；
S407记录计算时间并更新轴颈中心坐标；
S408主节点接收轴颈中心坐标和计算时间信息，输出文件；
S409流场计算；
S410若计算时间步>设定计算时间步，计算结束；否则，返回步骤S402；
第五步，后处理操作：
将计算所得数据进行导入并分析，并得到轴心轨迹时域图与频域图。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是：第一步，润滑流域前处理操作中的S101中，所述的动网格区域可以实现在并行计算过程中，结构化六面体网格节点坐标根据转子动力学方程和网格节点更新方程，随瞬态计算的每一时间步更新。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是：所述的转子动力学方程如下：
Figure FDA0002924665340000021
其中，M为转子质量，ax、ay分别为轴颈x方向和y方向的加速度，Max、May分别为转子质量与轴颈x方向和y方向加速度的乘积，Fx、Fy为非线性油膜力，e为转子偏心距，N为转子速度，t为时间，g为重力加速度；
所述的网格节点更新方程如下：
Figure FDA0002924665340000022
其中，x，y代表网格坐标位置，下标j，p分别为轴颈中心和任意网格节点的位置，上标t，t+1分别表示当前和下一时间步，
Figure FDA0002924665340000023
为下一时间步的网格节点x坐标，
Figure FDA0002924665340000024
为下一时间步的网格节点y坐标，
Figure FDA0002924665340000025
为当前时间步的网格节点的x坐标，
Figure FDA0002924665340000026
为当前时间步的网格节点的y坐标，
Figure FDA0002924665340000027
为下一时间步的轴颈中心x坐标，
Figure FDA0002924665340000028
为下一时间步的轴颈中心y坐标，
Figure FDA0002924665340000029
为当前时间步的轴颈中心x坐标，
Figure FDA00029246653400000210
为当前时间步的轴颈中心y坐标，Ntotal表示动网格区域中总网格层数，Ni表示网格节点所处网格层数，最外层网格层数为1，向轴颈方向依次递增。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是：第二步，并行模拟计算设置操作中S201所述的并行环境为基于MPI(Message Passing Interface，消息传递接口)并行框架的计算环境。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是：第二步，并行模拟计算设置操作中S202所述的离散模型区域分解具体的结果为计算区域内的网格被分解为内部网格和外部网格，内部网格位于网格区域内部，而外部网格实现了网格区域中边界网格的信息传递；同时，每个分区的边界面将被复制到相邻区域的计算节点中，这可以实现每个计算节点都将可以获取相邻区域的面的信息。
6.如权利要求1所述的方法，其特征是：第二步并行模拟计算设置操作中S203所述的设置边界条件和单元区域条件具体操作为：润滑流域为考虑空化效应的气液两相流的层流流动，润滑流体进出口为压力边界条件，润滑流域轴颈表面为转动面；S204所述的设置计算条件计算为采用SIMPLE(Semi-Implicit-Method for Pressure Linked Equations)算法进行稳态计算以消除初始值对瞬态计算润滑流域的影响。
7.如权利要求1所述的方法，其特征是：第四步，流场计算操作中所述的更新计算条件为保留稳态计算的结果的基础上采用PISO(Pressure-Implicit with Splitting ofOperators)算法，还包括以下步骤：保证各个计算节点的负载保持相对平衡，设置动网格动态负载平衡的阈值为20％，设置计算时间步与时间步长；
第四步，流场计算操作中所述的S403计算各分区轴颈面所受到的非线性油膜力，包括以下步骤：并行计算环境下，系统分为主节点和计算节点，在每个计算节点上识别动网格区域并判断网格是否需要更新，动网格区域为结构化的油膜间隙的网格流域；检索轴颈表面离散单元，识别并行分区域操作之前存在的离散单元即主离散单元，提取每个轴颈表面主离散单元中的压强数据信息与面积数据信息，将各个计算节点计算出的轴颈表面受到压强数据和面积信息按以下公式求和计算：相乘并累加得到各个分域中轴颈表面受到的非线性油膜力；
Figure FDA0002924665340000031
其中，h为区域的编号，
Figure FDA0002924665340000032
和
Figure FDA0002924665340000033
为编号为h分域中的轴颈面所受的非线性油膜力，n为各个分域中轴颈面主离散面数量，pxi和pyi为程序提取出的各分域内轴颈面的压强数据，Axi和Ayi为程序提取出的各分域内轴颈面的面积数据。
利用程序文件中的函数宏PRF_GRSUM对各个分域获得的非线性油膜力全局求和得到总控制域内轴颈表面所受到的非线性油膜力，并将得到的总控制域内轴颈表面受到的非线性线性油膜力发送至包括主节点的各个节点，函数宏PRF_GRSUM可以完成向各个计算节点传递轴颈面所受到的非线性油膜力，函数宏NODE_TO_HOST_REAL_N可以完成向主节点传递轴颈面所受到的非线性油膜力，其中函数宏PRF_GRSUM所完成的累加功能所对应的公式如下：
Figure FDA0002924665340000034
其中，Fx和Fy为润滑流域内轴颈表面受到的非线性油膜力，k为并行计算节点(进程)的数量，
Figure FDA0002924665340000035
和
Figure FDA0002924665340000036
为编号为l分域中的轴颈面所受的非线性油膜力且1≤l≤k。
8.如权利要求1所述的方法，其特征是：第四步，流场计算操作所述的S405计算轴颈面移动加速度、速度及位移信息包括以下步骤：转子动力学方程计算得到轴颈表面的加速度，加速度乘以时间步长为当前时间步内的速度增量，将上一时间步的速度加当前时间步的速度增量得到当前时间步内的速度，当前时间步内的速度乘以时间得到当前时间步内的位移信息；所述的S404与S408输出文件为.txt类型文件。
9.如权利要求1所述的方法，其特征是：第五步，后处理操作中所述的计算所得数据进行导入并分析操作为：将每一时间步获得的轴心坐标的.txt类型的文本文件导入Origin软件,以轴心x坐标为横坐标，以轴心y坐标为纵坐标，画在坐标轴上，取轴心轨迹不再变化时的稳定的轴心轨迹的曲线为当前转子转速条件下的转子-滑动轴承系统轴心轨迹的时域图，利用快速傅里叶变换操作得到轴心轨迹的频域图。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，利用存储其中的计算机程序被执行时来实现权利要求1-9所述的方法。
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