[发明专利]基于OpenFOAM的气体静压轴承气膜压力场分布仿真方法

说明书

基于OpenFOAM的气体静压轴承压力场分布仿真方法，包括：建立气体静压轴承气体流动域的三维模型，生成精细化网格，将网格导入到OpenFOAM中，并建立合适的湍流模型；设置边界条件、壁面函数和计算参数；建立可压缩稳态求解器(rhoSimpleFoam)的控制方程，选择求解器算法，方程的离散形式以及矩阵的求解方式，对方程组进行分离式求解；进行可压缩稳态计算，获得气体静压轴承压力场分布特性。本发明的优点是：基于开源软件OpenFOAM，可以对课题项目进行针对性的编译求解，针对具体的实验模型以及实验条件调整参数，具有较高的计算精度以及较好的收敛性，可信度高。

技术领域

本发明涉及一种基于OpenFOAM的气体静压轴承气膜压力场分布仿真方法。

背景技术

气体静压轴承在航空航天、精密仪器、超精密机床等领域有着广泛的应用。气体静压轴承气膜压力场分布对轴承的性能具有重要影响，一直是超精密气体润滑领域的研究重点。

目前，国内外众多学者利用计算机仿真对气体静压轴承压力场分布进行了的大量研究。气体静压轴承压力场分布数值仿真多基于商业软件Ansys，该软件操作简单，具有较为简洁的可视化界面。然而，在使用过程中，正是由于其简单便捷，大多数研究人员都使用软件内置通用的求解方式，虽然该求解方式具有一定的普适性，可以解决大多数CFD问题来满足其工程项目需要，但是通用的求解方式通常物理假设和前置条件较多，不利于针对特殊需求或研究的二次开发，而且仿真精度也得到了一定的限制。因此需要更为合适的求解器。而OpenFOAM作为大型开源CFD计算软件，具有非常良好的拓展性和可塑性，便于科研人员进行二次开发，针对特殊的问题来调整设计参数，甚至是定制自己的求解器，获得更加真实可靠的计算结果，因此，基于OpenFOAM进行气体静压轴承压力场分布仿真具有较好的优势，对于气体静压轴承的研发具有重要意义。。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种基于OpenFOAM的气体静压轴承压力场分布仿真方法，实现气体静压轴承仿真求解方式的可编译开发。

一种基于OpenFOAM的气体静压轴承压力场分布仿真方法，包括以下步骤：

1)建立气体静压轴承气体流动域的三维模型，生成精细化网格，将网格导入到OpenFOAM中，并建立合适的湍流模型；

2)设置边界条件、壁面函数和计算参数；

3)建立可压缩稳态求解器(rhoSimpleFoam)的控制方程，选择求解器算法，方程的离散形式以及矩阵的求解方式，对方程组进行分离式求解；

4)进行可压缩稳态计算，获得气体静压轴承压力场分布特性；

优选地，步骤1)所述轴承气膜间隙的大小为10～25μm。

优选地，步骤1)所述的湍流模型为SSTK-ω模型，该模型结合了标准K-e模型以及K-ω模型的特点，考虑了湍流切应力的传输特性。

优选地，步骤2)所述边界类型设置，出入口均为patch类型，其余壁面设为wall类型即可，入口和出口均采用压力边界条件。

优选地，步骤2)所述设置壁面函数设置，对于不同参数，例如湍动能k，粘度系数nut，比耗散率ω，湍动能耗散率e采用不同的壁面函数类型，使得在近壁面位置的数值计算具有更高的精度以及更好的收敛性。

优选地，步骤3)建立控制方程的通用形式：

其中为对流项，为拉普拉斯项，分别采用合适的离散形式，以及考虑是否加入非正交网格修正方法。同时还要对速度梯度U、湍动能k以及湍动能比耗散率ω选择合适的离散方法。

步骤3)建立可压缩稳态所需求解质量方程、动量方程以及状态方程分别为：