[发明专利]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

说明书

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。

【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；