考虑气体稀薄效应修正Reynolds方程的新模型及其数值分析

硬盘中磁头和磁盘之间的气膜厚度已接近或小于分子平均自由路径,为了更精确地模拟气膜的压力分布,Reynolds方程必须要考虑气体稀薄效应的影响。基于硬盘中常用的修正Reynolds方程——FK模型,提出一种修正Reynolds方程的新模型,并且通过最小二乘有限差分法求解该Reynolds方程。分别利用FK模型和新模型,研究气膜数对承载力和压力中心的影响,并比较2种模型的计算时间。结果表明,2种模型所得的数值模拟结果具有很好的一致性,但新模型的计算效率高于FK模型。

Flow Dynamics of a Spiral-groove Dry-gas Seal

The dry-gas seal has been widely used in different industries. With increased spin speed of the rotator shaft, turbulence occurs in the gas film between the stator and rotor seal faces. For the micro-scale flow in the gas film and grooves, turbulence can change the pressure distribution of the gas film. Hence, the seal performance is influenced. However, turbulence effects and methods for their evaluation are not considered in the existing industrial designs of dry-gas seal. The present paper numerically obtains the turbulent flow fields of a spiral-groove dry-gas seal to analyze turbulence effects on seal performance. The direct numerical simulation （DNS） and Reynolds-averaged Navier-Stokes （RANS） methods are utilized to predict the velocity field properties in the grooves and gas film. The key performance parameter, open force, is obtained by integrating the pressure distribution, and the obtained result is in good agreement with the experimental data of other researchers. Very large velocity gradients are found in the sealing gas film because of the geometrical effects of the grooves. Considering turbulence effects, the calculation results show that both the gas film pressure and open force decrease. The RANS method underestimates the performance, compared with the DNS. The solution of the conventional Reynolds lubrication equation without turbulence effects suffers from significant calculation errors and a small application scope. The present study helps elucidate the physical mechanism of the hydrodynamic effects of grooves for improving and optimizing the industrial design or seal face pattern of a dry-gas seal.

三楔气体轴承的动静压特性分析

针对氢燃料电池汽车车载空压机的轴承-转子系统,提出兼具静压和动压特性的三楔式气体轴承.开展轴承动静压耦合作用机制和流场特性、动静态参数研究,并与传统的圆柱气体轴承进行对比.为了计算轴承的流场特性,在Fluent软件的用户自定义函数(UDF)中编写动网格程序,并提出相应的计算流体力学(CFD)瞬态模拟方法来求解轴颈任意偏心位置时的轴承非线性气膜力与动态参数.研究表明,在运行工况变化时,三楔气体轴承动静压效应的强度会不断变化,但始终能通过耦合效应为转子提供有效、稳定的支承.在低转速范围内,静压效应是影响三楔气体轴承性能的主要因素,表现出与圆柱气体轴承相似的支承效果,保证车载压缩机在启停或升速过程中的稳定运转.当转速增大时,三楔气体轴承的动压效应显著增强,能在更低的供气压力下为高速旋转的车载压缩机提供支承.相较于需要外接气源的圆柱气体轴承,三楔气体轴承能在仅利用氢燃料电池汽车供气系统内部气路的情况下为转子提供稳定的支承,适应车载空压机中气体压力有限且须频繁启停、变速的工作环境.

考虑边界滑移状态的液体动静压球轴承稳定性分析

液体动静压球轴承稳定性分析包括探究其动态特性及临界转速,其刚度和阻尼系数对轴承转子系统稳定性具有重要影响,而研究临界转速可有效避免轴承转子系统发生涡动失稳。考虑边界滑移条件,将小孔节流器进入油腔流量与封油边流出流量相等作为边界条件,求解出边界滑移状态下的Reynolds方程得到油腔压力和封油边压力;对边界滑移状态下瞬态Reynolds方程采用小扰动法推导出扰动压力偏微分方程,结合有限差分法和松弛迭代法求解方程得到边界滑移状态下液体动静压球轴承的刚度和阻尼系数,进而通过线性稳定性方法求解临界失稳转速,探讨滑移系数、供油压力、转子转速之于轴承动态特性的影响及临界转速之于滑移系数的变化规律。结果表明,滑移系数增大会导致4个刚度系数和交叉阻尼系数减小、直接阻尼增大;供油压力增大将导致8个动态特性系数均增大,转速增大将导致刚度增大及阻尼减小,且滑移效应的发生不影响上述规律;临界转速随滑移系数的增大而减小,系统稳定性降低。

定量式静压转台动态特性建模与影响因素分析

静压转台的动力学性能对转台的综合性能有较大影响,所以对转台在动载作用下响应的深入研究对于转台优化设计及提升转台的综合性能有重要作用。根据Christensen的模型计算考虑表面粗糙度的情况下静压转台支承油垫及预压油垫的非线性承载力。建立多油垫转台的多自由度动力学模型,应用龙哥库塔法计算转台在均载及偏载时转台的响应及转台的稳定时间和稳态油膜厚度,分析表面粗糙度、转台初始油膜厚度、转台支承及预压油垫进油流量、转台转动对转台动态特性的影响。结果表明偏载使得转台的动态性能下降并使转台的某些支承油垫油膜厚度出现较大幅度降低。较小的油膜初始厚度和较大的流量可以提升转台的动态性能,而表面粗糙度等因素对于转台的动态特性也有比较明显的影响其中周向粗糙度倾向与提高转台性能而径向粗糙度则倾向于降低转台性能。所建的模型及分析结论将为转台的优化设计及转台综合性能的提升提供理论基础。

水润滑高速动静压滑动轴承数值模拟

采用有限元法求解壁面定律和Reynolds方程,对水润滑高速动静压滑动轴承进行了数值模拟分析。研究紊流状态水介质润滑条件下的动静压轴承三维压力分布、温度场分布及动特性系数,分析高速高压水润滑条件下的动静压轴承与油润滑条件下的动静压轴承不同的液腔压力分布、温度分布等特性。

基于径向基函数的滑动轴承压力分布求解模型

建立了一种基于径向基函数配置理论的滑动轴承压力分布求解数学模型。这是一种无网格方法,采用全局逼近模式求解,建模简单,可以方便地向三维空间推广。以圆柱轴承为例,计算了轴承内油膜压力分布,比较了新模型与有限元模型的计算结果,指出新模型可以用较少的样本点获得同样高的精度。分析了形状参数对计算结果精度和可靠性的影响,指出形状参数存在最佳值,提出了基于联想点误差最小原则选择最佳形状参数的方法。

基于局部微分求积-拉格朗日法的滑动轴承动力特性求解模型

以拉格朗日(Lagrange)多项式作为微分求积(the differential quadrature method,DQ)方法的基函数,建立了基于局部DQ-Lagrange方法的滑动轴承动力特性求解模型。并在此研究基础上,提出了将静态压力及扰动压力同步直接求解的方法。分析了节点密度、支持域大小、边界条件等对求解的影响。结果表明:多点的支持域模型求解精度高,相当于高阶有限差分法,但插值节点较多时,DQ-Lagrange方法易出现高阶插值引起数值振荡现象;半Sommerfeld条件与Reynolds边界条件对滑动轴承最大压力及载荷求解影响较小,对动力特性系数影响较大,Reynolds条件求出的动力特性系数普遍大于半Sommerfeld条件。

有效黏度效应对气体径向微轴承性能的影响

基于1阶滑移速度边界,考虑到稀薄条件下气体的有效黏度,给出了气体径向微轴承润滑雷诺方程。采用有限差分法求解雷诺方程,得到不同参考努森数、轴承数以及不同偏心率下轴承的无量纲压力分布、无量纲承载能力及偏位角的大小。数值分析表明,稀薄条件下气体径向微轴承性能存在明显的有效黏度效应,而参考努森数是决定有效黏度效应的主要因素。相同轴承数时,随参考努森数的增大,气体有效黏度效应引起轴承的压力降低、承载力下降,而轴承偏位角增大;偏心率越大,有效黏度效应引起偏位角增大幅度越大,当偏心率小于0.6时,有效黏度效应不明显。相同偏心率时,有效黏度效应引起承载力降低、偏位角增大;轴承数较小时,气体的有效黏度效应不明显。

液体静压推力轴承设计与FLUENT仿真分析

轴承的振动检测是轴承生产检测中的重要环节,轴承振动检测仪是轴承振动检测的重要检测仪器。根据2010年4月起实施的新的滚动轴承振动测量方法,针对测量最大外径为200mm的深沟球轴承振动检测仪主轴系统轴向承载能力不足问题,基于经典流体力学公式,对其主轴系统中的关键部件液体静压推力轴承进行了详细设计与计算。所设计的推力轴承在最大轴向载荷990N作用时,轴向位移为2.6μm。在空载静止满足条件基础上,运用模拟仿真软件FLUENT对所设计的结构进行仿真分析,得出随主轴转速的提高油膜刚度程线性增加,而流量不随主轴转速的提高而改变。进一步分析得知,环形油腔推力轴承在主轴旋转时其动压效应主要产生在油腔及内外缘出油间隙处。该液体静压推力轴承,设计合理可靠,可供同类别产品主轴系统提供设计参考。

气体动压径向轴承超薄气膜润滑动特性分析

在微纳米尺度下工作的气体薄膜润滑轴承,气膜厚度与气体分子平均自由程较为接近,气体稀薄效应是影响轴承动态特性的关键因素。通过MATLAB的偏微分方程工具箱求解超薄气膜润滑动态Reynolds方程得到动态刚度和阻尼系数,探讨了不同半径间隙,稀薄效应修正模型以及轴承参数对动特性系数的影响。结果表明,随轴承间隙减小,气体稀薄程度增加,气体径向轴承的动态刚度系数显著降低,动态阻尼系数有所增加。当半径间隙降低到纳米尺度时,动态性能受轴承参数的影响较小。

流体润滑轴承静动态特性的有限分析法

用有限分析法推导出流体润滑轴承的静动态雷诺方程的计算公式。公式表明，有限分析解比有限差分法和有限元法更为精确、合理。同时，在单元上可对其直接求偏导数，有利于提高动特性系数的计算精度。算例表明，在偏心率ε较大时。

径向轴承考虑压粘效应的雷诺方程式及短轴承的近似解

本文针对滑动轴承压强低的特点 ,将压粘方程线性化 ,提出了线性化的压粘方程式。在此基础上 ,建立了考虑压粘效应的有限长径向轴承的雷诺方程式。此方程可作为研究有限长径向轴承的基础。此外 ,在本文中还介绍了用近似法解考虑压粘效应对短径向轴承计算的主要结果 ,并用算例将它与考虑压粘效应的短轴承的解析解作计算对比 ,结果表明近似解表达式的结构简单、更方便应用 ,而且误差很小。数值计算说明了压粘效应对最小油膜厚度的影响是使它的厚度有一定程度的增厚 ,润滑计算时应当考虑。

气浮推力轴承支撑平台平衡机制及静特性分析

为消除或者减弱重力的影响,提出一类气浮推力轴承支撑平台方案,包括供气系统、控制系统、推力轴承、支撑平台,该平台通过调整推力轴承与平台之间间隙的气膜厚度可消减重力效应。构建该类气体推力轴承支撑方案的气体动力润滑耦合模型,包括气体分布与流速模型、压力分布与流量模型、可压缩气体的雷诺方程和气体压力与载荷关系。数值求解上述耦合模型,获得气体黏度系数、速度、平台载荷与轴承性能参数之间的关系。结果表明:在典型工况条件下,动力黏度系数越大,最小气膜厚度、流量和功耗随之增大;最小气膜厚度、流量和功耗也随速度的增大而增加;平台载荷的增加会导致气膜厚度和流量的降低。

不同表面粗糙度下动压轴承静特性分析

当动压滑动轴承的工作表面粗糙度达到和油膜厚度同一量级(μm)时,表面粗糙度对轴承特性参数的影响不可忽略。为研究粗糙度对轴承静特性的影响,基于M2000摩擦磨损试验机搭建试验平台,对42CrMo钢的滑动摩擦副进行试验,并建立了考虑表面粗糙度的Reynolds数学模型进行求解,得到不同表面粗糙度下油膜承载力、摩擦阻力以及摩擦因数等特性参数。研究结果表明,随着载荷增大,摩擦阻力变大、摩擦因数变小;同等载荷下,随着润滑油温度升高,摩擦阻力变小、摩擦因数变小;粗糙度越大,摩擦阻力也越大、摩擦因数越大。

基于轴心轨迹的水轮机转子-轴承动负荷特性分析计算

从水电机组主要部件导轴承的根本属性分析入手,明确指出水电机组导轴承是一类动负荷轴承,提出了通过测试导轴承处轴颈的振动摆度,计算分析水电机组导轴承系统动负荷的方法。结合雷诺润滑方程进行求解研究,仿真计算得到了实际运行导轴承系统的动负荷数值。结果表明,在正常工况情况下,轴瓦的压力分布主要取决于轴颈的位置角度,各个瓦块的承载情况大致相似。该研究为预测导轴承支撑寿命提供了现实的可能,解决了开展水轮机组状态检修的一个重大实际问题。

建立可倾瓦轴承动态雷诺方程的一种新方法

首先给出了可倾瓦轴承油膜厚度的计算公式，根据基本雷诺方程，采用一种新方法建立了层流状态下可倾瓦的动态雷诺方程，并结合水轮发电机组，给出了相应的动态边界条件。

动压效应对轧辊静压支承的影响

我们所研究制造的新型轧辊静压支承系统在忽略了动压效应的情况下已初步证实是可靠的 ,并在多方面具有优越性 .本文考虑了动压效应 ,对以前所做研究的基本假设和理论基础进行了修正 。

微气体轴承润滑模型研究

在微气体轴承特性分析中,通常采用基于滑移速度边界的润滑模型.对基于一阶滑移速度边界、二阶滑移速度边界、1.5阶滑移速度边界等三种润滑模型分别进行了推导,并给出了相应的描述微气体轴承动力特性的Reynolds方程.

不同湍流模型在射流推力矢量喷管数值模拟中的比较分析研究

利用数值模拟手段,分别求解以SA、SST k-ω、EASM k-ω或k-ζ湍流模型封闭的RANS方程,针对激波控制射流推力矢量喷管展开研究,在多个主喷流压比NPR(4.6,7.0,8.78,10.0)和次主流压比SPR(0.7,1.0)下,系统考察了四种不同湍流模型对射流推力矢量喷管性能参数及主喷管内壁面压力分布的预测能力,探讨了激波控制产生推力矢量随不同参数的变化规律。并基于数值分析,定量给出了二次射流所带来的主喷管性能损失。数值计算结果表明,四种湍流模型都能比较准确预测出射流推力矢量喷管的性能参数,在激波捕捉和压力预测方面,相对而言SST k-ω模型最为准确。