[发明专利]一种内环向射流稳压腔参数设计的数值模拟方法

摘要

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。

主权项

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；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；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q_max，根据下式可确定稳压腔环槽喷口的入口雷诺数范围：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。