论文部分内容阅读
摘要：本篇文章介绍了超高速轴承的轴瓦-润滑油-轴颈的流固耦合传热系统。简述了这个研究方向成果的最新进展。
关键字：流固耦合；滑动轴承；耦合算法
Abstract: this article introduces the high-speed bearing bush-oil-shaft neck fluid-structure coupling heat-transfer systems. This paper research the new progress of the results.
Key word: fluid-solid coupling; Sliding bearing; Coupled algorithm
中图分类号：B025.4 文献标识码：A 文章编号：
1流固耦合的算法进展
流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，从获得的文献来看，它在算法方面的研究从很早就开始了，发展也比较迅速和成熟，目前已经形成了一些主流算法。
流体-结构耦合数值研究方法，其模型经历了由简单到复杂、从解耦到弱耦合（或松耦合）再发展到强耦合这样一个过程。根据这一发展过程大致把算法分为三类：古典积分算法、交错积分耦合法和整体积分方法。其中古典积分算法现在已经基本淘汰。交错积分耦合法和整体积分法发展还比较迅速。交错积分耦合法和整体积分法都是双向的耦合方法，可以考虑流体和结构的各种非线性因素，也可预测到极限环振荡现象。两者的差别主要是时间积分推进是否同步。
1.1交错积分耦合法的进展
Charbel Farhat等人提出的CSS（Conventional Serial Staggered）法起步较早，发展也比较成熟。这种方法能充分利用计算流体动力学和计算结构动力学的方法和程序，只做少量的修改，从而保持程序的模块化。但是它有一个缺点至今仍未克服，就是流体、结构的时间推进积分总是存在时间滞后，耦合见面上的能量不能保持守恒，无法满足动平衡。这个缺点一直制约着CSS方法的发展。
S．Piperno提出的带预估和预估迭代交错法应用较为广泛，发展比较快。它克服了CSS方法的缺点，提高了算法的精度和稳定性，引入了流体积分的子循环方法可使积分过程中采用不同的时间步长，节省了CPU时间及I/O文件传递。
1.2 整体积分法的进展
整体积分法的发展起步比较晚，但是发展迅速。不同于交错积分耦合法，这种方法的时间积分完全同步，且不存在时间滞后和能量不守恒现象，因此是一种具有相当吸引力的完全的强耦合方法。它把流体和结构看作通过耦合界面的单一连续介质，用单一的算子来描述控制方程。但是这种算法发展还很不成熟，应用不是十分广泛，但是我们有理由相信，不久的将来这种最出色的算法会得到广泛的应用和研究。
从获得的文献资料来看，由于欧美等发达国家的国防、航空航天领域发展的需要，国外在流固耦合算法上的研究比较活跃；相比较而言，国内这方面的研究开展的较晚，涉及人员较少，不过还是取得了一些成果。
2高速滑动轴承流固耦合的进展
就目前来说，对滑动轴承做流固耦合的想法还比较新，查看所获得的有关文献，关于轴承方面的流固耦合主要是转子和轴承之间动力性和稳定性的耦合分析，关于轴承轴瓦-轴颈系统的热耦合比较少。在熱耦合方面主要取得的进展有在灵敏度分析和流固耦合传热模拟方面的进展。
找了一些文献，加上自己对轴承模型的理解，总结如下：
2.1简述
首先来谈谈介质的问题。根据Reynolds方程和能量方程，轴承的温升与轴承采用润滑介质的黏度有关，因此，采用低黏度的润滑介质—水，是解决轴承热变形的一条途径。接下来是模型问题。轴承可以有不加腔的模型，还可以有加腔的模型，最真实最有效的模型就是轴承加深浅腔的模型，有两腔、三腔、四腔等结构。最后，为了分析模型的网格数量、类型以及模型对称性边界条件对CFD模拟分析结果的影响，一般的轴承模型都做了灵敏度分析。
2.2模型假设及控制方程
查文献可知，高速滑动轴承由于模型过于复杂，因此要对模型进行适当的假设：1、润滑介质为水，不可压缩流体，黏度不随剪切速率、温度变化；2、考虑润滑介质的黏性生成热以及轴承介质与轴瓦、轴颈之间的传热；3、工作环境压力101kpa；4、由于轴颈转速较高，考虑润滑介质惯性作用；4、润滑入口处压力、流速恒定。
目前使用的控制方程依旧是质量连续性方程、N-S方程、能量方程。形成了经典的控制理论。
润滑介质水在油腔内的流动为不可压缩流动，根据流体力学基本方程组，得到平面定常粘性流体的质量连续性方程为：
运动微分方程，即N-S方程
能量方程：
2.3灵敏度分析
大部分的轴承都对网格的类型、数量及模型对称性进行了灵敏度分析。网格的类型有六面体网格、楔形网格等。不同的网格类型可能会得出不同的结果；众所周知，网格数量越多，网格越精密，所得到的结果就越好，但是网格数量的增多必然使计算时间变长，本人曾用了一个简单的轴承模型进行计算，2万数量的网格10分钟就算好了，而90万的网格要算一个下午加一个晚上，因此合理选择网格数量也很重要；选择1/2轴承宽度作为对称进行分析，也能取得较好的效果，而且能大大减少计算时间。
2.4深浅腔轴承压力模拟及研究成果
目前的轴承压力分析主要是对轴颈、轴瓦和油膜三者之间进行了流固耦合，再使用相应的求解器，设置相应的边界条件就可以得出相应的分析结果。
深浅腔的压力模拟的主要研究成果有：沿轴向从油腔到封油面再到轴承边缘，油膜压力逐渐减小；最高压力一般出现在浅腔和周向封油面结合处，因此处有形成动压润滑的趋势，同时深腔和浅腔的结合处压力也较高；在相同的供油压力下，随着轴颈转速的提高，油膜压力相应增加，但同时也增大了油膜发生破裂的概率，油膜发生破裂后，随着转速的增大，破裂区相应增大；对应的，轴颈转速不变时，随着供油压力的降低，油膜发生破裂的概率增大，破裂发生后，随着供油压力的降低，破裂区域增大。
2.5流固耦合热模拟及研究成果
依然使用流固耦合模型，对热耦合的研究成果有：油膜周向封油面和深腔远离进油口区域的温度较高，由于进油口低温润滑油的冷却作用，浅腔区域的温度较低；由于轴瓦静止不动，润滑介质对轴瓦的冷却效果明显，由于轴颈的高速运动，截面温度保持恒定，温度值取决于表面处的润滑介质温度。
参考文献
【1】蒋兴奇，马家驹，赵联春。高速精密角接触球轴承热分析[J].轴承，2000（8）。
【2】张建斌，池长青。浅腔阶梯液体动静压混合轴承温度场分析[J].北京航空航天大学学报，1997,23（3）。
【3】张国渊，袁小阳。水润滑动静压轴承三维压力及温度场分布理论研究[J].2006，31（8）。
【4】钱若军，董石麟，袁行飞。流固耦合理论研究进展[J].空间结构，2008,14（1）。
关键字：流固耦合；滑动轴承；耦合算法
Abstract: this article introduces the high-speed bearing bush-oil-shaft neck fluid-structure coupling heat-transfer systems. This paper research the new progress of the results.
Key word: fluid-solid coupling; Sliding bearing; Coupled algorithm
中图分类号：B025.4 文献标识码：A 文章编号：
1流固耦合的算法进展
流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，从获得的文献来看，它在算法方面的研究从很早就开始了，发展也比较迅速和成熟，目前已经形成了一些主流算法。
流体-结构耦合数值研究方法，其模型经历了由简单到复杂、从解耦到弱耦合（或松耦合）再发展到强耦合这样一个过程。根据这一发展过程大致把算法分为三类：古典积分算法、交错积分耦合法和整体积分方法。其中古典积分算法现在已经基本淘汰。交错积分耦合法和整体积分法发展还比较迅速。交错积分耦合法和整体积分法都是双向的耦合方法，可以考虑流体和结构的各种非线性因素，也可预测到极限环振荡现象。两者的差别主要是时间积分推进是否同步。
1.1交错积分耦合法的进展
Charbel Farhat等人提出的CSS（Conventional Serial Staggered）法起步较早，发展也比较成熟。这种方法能充分利用计算流体动力学和计算结构动力学的方法和程序，只做少量的修改，从而保持程序的模块化。但是它有一个缺点至今仍未克服，就是流体、结构的时间推进积分总是存在时间滞后，耦合见面上的能量不能保持守恒，无法满足动平衡。这个缺点一直制约着CSS方法的发展。
S．Piperno提出的带预估和预估迭代交错法应用较为广泛，发展比较快。它克服了CSS方法的缺点，提高了算法的精度和稳定性，引入了流体积分的子循环方法可使积分过程中采用不同的时间步长，节省了CPU时间及I/O文件传递。
1.2 整体积分法的进展
整体积分法的发展起步比较晚，但是发展迅速。不同于交错积分耦合法，这种方法的时间积分完全同步，且不存在时间滞后和能量不守恒现象，因此是一种具有相当吸引力的完全的强耦合方法。它把流体和结构看作通过耦合界面的单一连续介质，用单一的算子来描述控制方程。但是这种算法发展还很不成熟，应用不是十分广泛，但是我们有理由相信，不久的将来这种最出色的算法会得到广泛的应用和研究。
从获得的文献资料来看，由于欧美等发达国家的国防、航空航天领域发展的需要，国外在流固耦合算法上的研究比较活跃；相比较而言，国内这方面的研究开展的较晚，涉及人员较少，不过还是取得了一些成果。
2高速滑动轴承流固耦合的进展
就目前来说，对滑动轴承做流固耦合的想法还比较新，查看所获得的有关文献，关于轴承方面的流固耦合主要是转子和轴承之间动力性和稳定性的耦合分析，关于轴承轴瓦-轴颈系统的热耦合比较少。在熱耦合方面主要取得的进展有在灵敏度分析和流固耦合传热模拟方面的进展。
找了一些文献，加上自己对轴承模型的理解，总结如下：
2.1简述
首先来谈谈介质的问题。根据Reynolds方程和能量方程，轴承的温升与轴承采用润滑介质的黏度有关，因此，采用低黏度的润滑介质—水，是解决轴承热变形的一条途径。接下来是模型问题。轴承可以有不加腔的模型，还可以有加腔的模型，最真实最有效的模型就是轴承加深浅腔的模型，有两腔、三腔、四腔等结构。最后，为了分析模型的网格数量、类型以及模型对称性边界条件对CFD模拟分析结果的影响，一般的轴承模型都做了灵敏度分析。
2.2模型假设及控制方程
查文献可知，高速滑动轴承由于模型过于复杂，因此要对模型进行适当的假设：1、润滑介质为水，不可压缩流体，黏度不随剪切速率、温度变化；2、考虑润滑介质的黏性生成热以及轴承介质与轴瓦、轴颈之间的传热；3、工作环境压力101kpa；4、由于轴颈转速较高，考虑润滑介质惯性作用；4、润滑入口处压力、流速恒定。
目前使用的控制方程依旧是质量连续性方程、N-S方程、能量方程。形成了经典的控制理论。
润滑介质水在油腔内的流动为不可压缩流动，根据流体力学基本方程组，得到平面定常粘性流体的质量连续性方程为：
运动微分方程，即N-S方程
能量方程：
2.3灵敏度分析
大部分的轴承都对网格的类型、数量及模型对称性进行了灵敏度分析。网格的类型有六面体网格、楔形网格等。不同的网格类型可能会得出不同的结果；众所周知，网格数量越多，网格越精密，所得到的结果就越好，但是网格数量的增多必然使计算时间变长，本人曾用了一个简单的轴承模型进行计算，2万数量的网格10分钟就算好了，而90万的网格要算一个下午加一个晚上，因此合理选择网格数量也很重要；选择1/2轴承宽度作为对称进行分析，也能取得较好的效果，而且能大大减少计算时间。
2.4深浅腔轴承压力模拟及研究成果
目前的轴承压力分析主要是对轴颈、轴瓦和油膜三者之间进行了流固耦合，再使用相应的求解器，设置相应的边界条件就可以得出相应的分析结果。
深浅腔的压力模拟的主要研究成果有：沿轴向从油腔到封油面再到轴承边缘，油膜压力逐渐减小；最高压力一般出现在浅腔和周向封油面结合处，因此处有形成动压润滑的趋势，同时深腔和浅腔的结合处压力也较高；在相同的供油压力下，随着轴颈转速的提高，油膜压力相应增加，但同时也增大了油膜发生破裂的概率，油膜发生破裂后，随着转速的增大，破裂区相应增大；对应的，轴颈转速不变时，随着供油压力的降低，油膜发生破裂的概率增大，破裂发生后，随着供油压力的降低，破裂区域增大。
2.5流固耦合热模拟及研究成果
依然使用流固耦合模型，对热耦合的研究成果有：油膜周向封油面和深腔远离进油口区域的温度较高，由于进油口低温润滑油的冷却作用，浅腔区域的温度较低；由于轴瓦静止不动，润滑介质对轴瓦的冷却效果明显，由于轴颈的高速运动，截面温度保持恒定，温度值取决于表面处的润滑介质温度。
参考文献
【1】蒋兴奇，马家驹，赵联春。高速精密角接触球轴承热分析[J].轴承，2000（8）。
【2】张建斌，池长青。浅腔阶梯液体动静压混合轴承温度场分析[J].北京航空航天大学学报，1997,23（3）。
【3】张国渊，袁小阳。水润滑动静压轴承三维压力及温度场分布理论研究[J].2006，31（8）。
【4】钱若军，董石麟，袁行飞。流固耦合理论研究进展[J].空间结构，2008,14（1）。