一种环下润滑收油过程的仿真方法

1.本发明涉及计算机数值模拟技术领域，特别是一种环下润滑收油过程的仿真方法。


背景技术：

2.航空燃气涡轮发动机(简称航空发动机)是飞机和直升机的主要动力装置，因其结构复杂、可靠性要求高、集成诸多尖端技术而被誉为“现代工业皇冠上的明珠”。随着我国科学技术的快速发展与航空产业工艺水平的不断提升，航空发动机的性能和输出功率不断提高，主轴转速明显增加，已经达到超高转速级别，而主轴的高速稳定运转依赖于主轴支点滚动轴承(主轴轴承)的可靠工作，这对主轴轴承的润滑和冷却要求极高。如果主轴轴承润滑和冷却不良，则可能引起轴承寿命降低、发动机振动增大，甚至会造成抱轴等灾难性破坏，严重威胁飞行安全。航空发动机主轴轴承润滑主要有喷射润滑和环下润滑两种方式：喷射润滑方式是指轴承直接通过喷嘴喷射的润滑油进行润滑，对于主轴轴承而言，润滑油一般是通过保持架和轴承内圈引导面之间的间隙进入轴承内部。环下润滑方式是指润滑油依次通过轴承内圈上设置的轴向输油槽和径向甩油孔后，进入轴承内部进行润滑和冷却。研究表明，喷射润滑方式适用于较低dn值的轴承，环下润滑方式则更适用于较高dn值的轴承，同时采用环下润滑方式的轴承需要的润滑油油量也小于采用常规的喷射润滑方式的轴承。
3.环下润滑收油过程中，其内部流场相当复杂，涉及到油气两相、液体撞击固体壁面、旋转湍流等复杂流动状态。通过传统实验方式可以获取润滑油的分布，传统实验方式具体是首先搭建试验台，然后使用高速摄像机对润滑油的分布进行拍摄，但是采用传统实验方式只能捕获宏观的润滑油在空间中的分布，并不能得到润滑油被撞击然后破碎的具体的过程，也无法获取流场中任一点的速度、压力、润滑油和空气分别所占流场体积的具体比例。


技术实现要素：

4.针对上述缺陷，本发明提出了一种环下润滑收油过程的仿真方法，其目的在于解决采用传统实验方式只能捕获宏观的润滑油在空间中的分布，并不能得到润滑油被撞击然后破碎的具体的过程，也无法获取流场中任一点的速度、压力、润滑油和空气分别所占流场体积的具体比例的问题。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种环下润滑收油过程的仿真方法，包括以下步骤：
7.步骤s1：建立环下润滑中所需要用到的轴向收油环、径向收油环、至少三个喷嘴和旋转空间的几何模型；
8.步骤s2：基于openfoam中的snappyhexmesh网格生成工具对各所述几何模型进行贴片网格划分，得到各所述几何模型的三维流域网格；
9.步骤s3：建立计算流体力学模型，所述计算流体力学模型包括缩纳维斯托克斯方
程模型、连续性方程模型和湍流方程模型；
10.步骤s4：设置各所述几何模型的三维流域网格的边界的边界条件和流体属性，并设定控制仿真过程的过程参数和计算的输入输出格式；
11.步骤s5：基于所述计算流体力学模型、所述边界条件、所述流体属性、所述过程参数和所述输入输出格式，在各所述几何模型的三维流域网格进行两相流体数值计算，得到两相流体中其中一相流体通过各所述几何模型的三维流域网格的边界的质量；
12.步骤s6：根据两相流体中其中一相流体通过各所述几何模型的三维流域网格的边界的质量，使用paraview可视化工具获得环下润滑收油过程中润滑油的两相流体分布和速度分布。
13.优选地，在步骤s2中，具体包括以下子步骤：
14.步骤s21：预设置blockmesh网格生成工具；
15.步骤s22：使用所述blockmesh网格生成工具生成背景网格；
16.步骤s23：预设置snappyhexmesh网格生成工具；
17.步骤s24：使用所述snappyhexmesh网格生成工具生成贴片网格。
18.更优地，在步骤s21中，预设置blockmesh网格生成工具具体包括以下子步骤：
19.步骤s211：设置blockmeshdict字典文件和blocks字典文件；
20.步骤s212：在所述blockmeshdict字典文件设置8个vertices顶点；
21.步骤s213：在所述blocks字典文件中用8个所述vertices顶点组成一个块；
22.步骤s214：在各所述几何模型的三维流域网格的边界均使用所述块确定边界面。
23.更优地，在步骤s23中，预设置snappyhexmesh网格生成工具具体包括以下子步骤：
24.步骤s231：设置snappyhexmeshdict字典文件和几何(geometry)字典文件；
25.步骤s232：在所述snappyhexmeshdict字典文件调出刻画网格和贴片网格；
26.步骤s233：在所述geometry字典文件输入各几何模型的文件；
27.步骤s234：调整最大全局网格数、最小网格加密等级和不同等级网格之间的过渡网格数量，对整体网格和旋转区域网格分别进行划分和加密。
28.优选地，在步骤s3中，所述计算流体力学模型为vof模型，具体的模型方程如下：
[0029][0030][0031][0032]
其中，α为相函数；τ为时间；ρ为密度；u为速度；p
rgh
为相对压力；g为重力加速度；为表面张力项；v为粘度；h为网格单元体心的位置矢量。
[0033]
优选地，在步骤s5中，在各所述几何模型的三维流域网格进行两相流体数值计算，得到两相流体中其中一相流体通过各所述几何模型的三维流域网格的边界的质量，具体包括以下子步骤：
[0034]
步骤s51：获取各几何模型的三维流域网格的边界质量流量随时间的变化；
[0035]
步骤s52：将各几何模型的三维流域网格的边界质量流量均乘以两相流体中其中一相流体的相函数，得到各对应相流体的质量流量；
[0036]
步骤s53：获取各对应相流体的质量流量的记录文件。
[0037]
优选地，在步骤s6中，还包括以下子步骤：
[0038]
根据两相流体中其中一相流体通过各所述几何模型的三维流域网格的边界的质量，获得整个收油过程的收油效率，具体计算公式如下：
[0039][0040]
其中，efficiency为收油效率；m
inner_outlet1
为通过inner_outlet1边界的润滑油的质量；m
inner_outlet2
为通过inner_outlet2边界的润滑油的质量；m
inner_outlet3
为通过inner_outlet3边界的润滑油的质量；m
inlet
为通过inlet边界的润滑油的质量。
[0041]
本技术实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
[0042]
本方案首先建立几何模型，然后根据几何模型获得三维网格，接着建立计算流体力学模型，再设置流体特性等计算所需参数和边界条件，最后基于建立的计算流体力学模型和设置的相关参数，在三维流域网格上进行两相流体数值计算，得到环下润滑收油过程中润滑油的两相流体分布和速度分布，实现了精准获取流场中任一点的速度、压力、润滑油和空气分别所占流场体积的具体比例，解决了现有技术存在的对环下润滑收油过程中的复杂流场油气两相界面捕捉困难和准度较低的问题。
附图说明
[0043]
图1是一种环下润滑收油过程的仿真方法步骤流程图。
具体实施方式
[0044]
下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0045]
一种环下润滑收油过程的仿真方法，包括以下步骤：
[0046]
步骤s1：建立环下润滑中所需要用到的轴向收油环、径向收油环、至少三个喷嘴和旋转空间的几何模型；
[0047]
步骤s2：基于openfoam中的snappyhexmesh网格生成工具对各所述几何模型进行贴片网格划分，得到各所述几何模型的三维流域网格；
[0048]
步骤s3：建立计算流体力学模型，所述计算流体力学模型包括缩纳维斯托克斯方程模型、连续性方程模型和湍流方程模型；
[0049]
步骤s4：设置各所述几何模型的三维流域网格的边界的边界条件和流体属性，并设定控制仿真过程的过程参数和计算的输入输出格式；
[0050]
步骤s5：基于所述计算流体力学模型、所述边界条件、所述流体属性、所述过程参数和所述输入输出格式，在各所述几何模型的三维流域网格进行两相流体数值计算，得到两相流体中其中一相流体通过各所述几何模型的三维流域网格的边界的质量；
[0051]
步骤s6：根据两相流体中其中一相流体通过各所述几何模型的三维流域网格的边界的质量，使用paraview可视化工具获得环下润滑收油过程中润滑油的两相流体分布和速度分布。
[0052]
本方案的一种环下润滑收油过程的仿真方法，如图1所示，第一步是建立环下润滑中所需要用到的轴向收油环、径向收油环、至少三个喷嘴和旋转空间的几何模型。本实施例中，喷嘴设置有三个，轴向收油环的几何模型命名为inlet.stl，径向收油环的几何模型命名为outer_outlet.stl，三个喷嘴的几何模型命名分别为inner_outlet1.stl、inner_outlet2.stl、inner_outlet3.stl，旋转空间的几何模型命名为ring_wall.stl，建立轴向收油环、径向收油环、喷嘴和旋转空间的几何模型有利于后续计算环下润滑收油过程中的润滑油分布。第二步是基于openfoam中的snappyhexmesh网格生成工具对各所述几何模型进行贴片网格划分，得到各所述几何模型的三维流域网格。具体地，openfoam是面向对象的计算流体力学类库，openfoam支持多面体网格，因此可以处理复杂的几何外形。openfoam中自带的snappyhexmesh网格生成工具可以快速高效的划分六面体+多面体网格，网格质量高。第三步是建立计算流体力学模型，所述计算流体力学模型包括缩纳维斯托克斯方程模型、连续性方程模型和湍流方程模型。具体地，缩纳维斯托克斯方程模型、连续性方程模型和湍流方程模型均有现有的流体力学模型，所述计算流体力学模型能够作为后续仿真计算的依据。第四步是设置各所述几何模型的三维流域网格的边界的边界条件和流体属性，并设定控制仿真过程的过程参数和计算的输入输出格式。具体地，各所述几何模型的三维流域网格的边界分别为inlet、outer_outlet、inner_outlet1、inner_outlet2、inner_outlet3和ring_wall。设置边界条件包括分别设定inlet边界、outer_outlet边界、inner_outlet1边界、inner_outlet2边界、inner_outlet3边界和ring_wall边界上的边界条件，其中，inlet边界需要设定速度边界边界条件，同时设定相函数为1，代表入口全是润滑油；outer_outlet边界、inner_outlet1边界、inner_outlet2边界和inner_outlet3边界均采用压力出口边界条件；ring_wall边界采用无滑移壁面条件，无滑移就是要设定该边界表面的速度为0。对于流体属性的设置，需要设定两相流体的运动粘度、密度和表面张力。设定控制仿真过程的过程参数和计算的输入输出格式，具体包括开始时间、结束时间、计算步长、最大库朗数、输入格式以及输出格式。第五步是基于所述计算流体力学模型、所述边界条件、所述流体属性、所述过程参数和所述输入输出格式，在各所述几何模型的三维流域网格进行两相流体数值计算，得到两相流体中其中一相流体通过各所述几何模型的三维流域网格的边界的质量。本实施例中，通过后处理获得两相流体中其中一相流体通过inner_outlet1边界、inner_outlet2边界和inner_outlet3边界的质量，这样能够进一步获取环下润滑整个收油过程的收油效率。第六步是根据两相流体中其中一相流体通过各所述几何模型的三维流域网格的边界的质量，使用paraview可视化工具获得环下润滑收油过程中润滑油的两相流体分布和速度分布。具体地，paraview可视化工具是现有的应用程序，使用paraview可视化工具能够直观地显示环下润滑收油过程中润滑油的两相流体分布和速度分布。
[0053]
本方案首先建立几何模型，然后根据几何模型获得三维网格，接着建立计算流体力学模型，再设置流体特性等计算所需参数和边界条件，最后基于建立的计算流体力学模型和设置的相关参数，在三维流域网格上进行两相流体数值计算，得到环下润滑收油过程中润滑油的两相流体分布和速度分布，实现了精准获取流场中任一点的速度、压力、润滑油和空气分别所占流场体积的具体比例，解决了现有技术存在的对环下润滑收油过程中的复杂流场油气两相界面捕捉困难和准度较低的问题。
[0054]
优选的，在步骤s2中，具体包括以下子步骤：
[0055]
步骤s21：预设置blockmesh网格生成工具；
[0056]
步骤s22：使用所述blockmesh网格生成工具生成背景网格；
[0057]
步骤s23：预设置snappyhexmesh网格生成工具；
[0058]
步骤s24：使用所述snappyhexmesh网格生成工具生成贴片网格。
[0059]
本实施例中，blockmesh网格生成工具和snappyhexmesh网格生成工具都是openfoam自带的工具。使用所述blockmesh网格生成工具生成的背景网格能够给贴片网格的生成提供参照。
[0060]
进一步说明，根据网格加密等级为0对除了收油环以外的其他部分进行网格划分，根据网格加密等级为1、2和3对收油环旋转区域进行网格划分，因为收油环区域网格是旋转运动的，为动网格，因此需要使用snappyhexmesh网格生成工具对ami区域(ami区域就是旋转网格区域)进行划分，其中网格旋转的速度分别为10000rpm、20000rpm和40000rpm，ami区域的网格要按照相同的速度进行旋转。
[0061]
更优的，在步骤s21中，预设置blockmesh网格生成工具具体包括以下子步骤：
[0062]
步骤s211：设置blockmeshdict字典文件和blocks字典文件；
[0063]
步骤s212：在所述blockmeshdict字典文件设置8个vertices顶点；
[0064]
步骤s213：在所述blocks字典文件中用8个所述vertices顶点组成一个块；
[0065]
步骤s214：在各所述几何模型的三维流域网格的边界均使用所述块确定边界面。
[0066]
本实施例中，blockmesh网格生成工具包含blockmeshdict字典文件和blocks字典文件，在使用blockmesh网格生成工具之前，需要对blockmesh网格生成工具进行预设置，预设置中使用8个所述vertices顶点能够快速找到所述几何模型的三维流域网格的边界点，并连接个边界点构成边界面，有利于后续对各边界面设置边界条件。
[0067]
更优的，在步骤s23中，预设置snappyhexmesh网格生成工具具体包括以下子步骤：
[0068]
步骤s231：设置snappyhexmeshdict字典文件和几何(geometry)字典文件；
[0069]
步骤s232：在所述snappyhexmeshdict字典文件调出刻画网格和贴片网格；
[0070]
步骤s233：在所述geometry字典文件输入各几何模型的文件；
[0071]
步骤s234：调整最大全局网格数、最小网格加密等级和不同等级网格之间的过渡网格数量，对整体网格和旋转区域网格分别进行划分和加密。
[0072]
本实施例中，snappyhexmesh网格生成工具包含snappyhexmeshdict字典文件和几何(geometry)字典文件，在使用snappyhexmesh网格生成工具之前，需要对snappyhexmesh网格生成工具进行预设置，这样有利于后续使用其对所述几何模型进行网格划分。
[0073]
进一步说明，预设置中对整体网格和旋转区域网格分别进行划分和加密，由于需要解析旋转区域润滑油和收油环碰撞后的细小的润滑油颗粒，则需要在旋转区域进行网格加密，设定加密等级为1、2和3，其中最小网格间距为0.25mm，在旋转区域外的最小网格间距为0.5mm。旋转区域采用滑移网格来实现，该区域上网格之间的相对位置保持不变，而整体网格均保持相同的旋转速度。
[0074]
优选的，在步骤s3中，所述计算流体力学模型为vof模型，具体的模型方程如下：
[0075]
[0076][0077][0078]
其中，α为相函数；τ为时间；ρ为密度；u为速度；p
rgh
为相对压力；g为重力加速度；为表面张力项；v为粘度；h为网格单元体心的位置矢量。
[0079]
本实施例中，由于所述计算流体力学模型为vof模型，vof模型适用于计算气体和液体这样不能互相掺混的流体流动。具体地，当模型方程中的相函数α为1时，代表三维流域网格中全是液体；当模型方程中的相函数α为0时，代表三维流域网格中全是气体；当模型方程中的相函数α为0-1时，代表油气两相的分界面。
[0080]
优选的，在步骤s5中，在各所述几何模型的三维流域网格进行两相流体数值计算，得到两相流体中其中一相流体通过各所述几何模型的三维流域网格的边界的质量，具体包括以下子步骤：
[0081]
步骤s51：获取各几何模型的三维流域网格的边界质量流量随时间的变化；
[0082]
步骤s52：将各几何模型的三维流域网格的边界质量流量均乘以两相流体中其中一相流体的相函数，得到各对应相流体的质量流量；
[0083]
步骤s53：获取各对应相流体的质量流量的记录文件。
[0084]
本实施例中，质量流量是指单位时间里油气两相流体中其中一相流体通过几何模型的三维流域网格的边界的质量。根据两相流中相函数的定义，将质量流量乘以某一相的相函数就可以获得该相的质量流量，因此本方案将各几何模型的三维流域网格的边界质量流量均乘以两相流体中其中一相流体的相函数，得到各对应相流体的质量流量。
[0085]
进一步说明，在获取各对应相流体的综合质量流量的记录文件之后，需要对各记录文件进行处理，具体包括以下步骤：第一步是删除各记录文件中的非数据行；第二步是读取各记录文件中的所有数据行，获得各质量流量和时间的关系图；第三步是根据各质量流量和时间的关系图，将各质量流量分别对对应的时间进行积分。
[0086]
优选的，在步骤s6中，还包括以下子步骤：
[0087]
根据两相流体中其中一相流体通过各所述几何模型的三维流域网格的边界的质量，获得整个收油过程的收油效率，具体计算公式如下：
[0088][0089]
其中，efficiency为收油效率；m
inner_outlet1
为通过inner_outlet1边界的润滑油的质量；m
inner_outlet2
为通过inner_outlet2边界的润滑油的质量；m
inner_outlet3
为通过inner_outlet3边界的润滑油的质量；m
inlet
为通过inlet边界的润滑油的质量。
[0090]
本实施例中，通过获取影响环下润滑收油效率的关键参数，为后续收油环的结构设计提供技术支持。
[0091]
此外，在本发明的各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算
机可读取存储介质中。
[0092]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种环下润滑收油过程的仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤s1：建立环下润滑中所需要用到的轴向收油环、径向收油环、至少三个喷嘴和旋转空间的几何模型；步骤s2：基于openfoam中的snappyhexmesh网格生成工具对各所述几何模型进行贴片网格划分，得到各所述几何模型的三维流域网格；步骤s3：建立计算流体力学模型，所述计算流体力学模型包括缩纳维斯托克斯方程模型、连续性方程模型和湍流方程模型；步骤s4：设置各所述几何模型的三维流域网格的边界的边界条件和流体属性，并设定控制仿真过程的过程参数和计算的输入输出格式；步骤s5：基于所述计算流体力学模型、所述边界条件、所述流体属性、所述过程参数和所述输入输出格式，在各所述几何模型的三维流域网格进行两相流体数值计算，得到两相流体中其中一相流体通过各所述几何模型的三维流域网格的边界的质量；步骤s6：根据两相流体中其中一相流体通过各所述几何模型的三维流域网格的边界的质量，使用paraview可视化工具获得环下润滑收油过程中润滑油的两相流体分布和速度分布。2.根据权利要求1所述的一种环下润滑收油过程的仿真方法，其特征在于：在步骤s2中，具体包括以下子步骤：步骤s21：预设置blockmesh网格生成工具；步骤s22：使用所述blockmesh网格生成工具生成背景网格；步骤s23：预设置snappyhexmesh网格生成工具；步骤s24：使用所述snappyhexmesh网格生成工具生成贴片网格。3.根据权利要求2所述的一种环下润滑收油过程的仿真方法，其特征在于：在步骤s21中，预设置blockmesh网格生成工具具体包括以下子步骤：步骤s211：设置blockmeshdict字典文件和blocks字典文件；步骤s212：在所述blockmeshdict字典文件设置8个vertices顶点；步骤s213：在所述blocks字典文件中用8个所述vertices顶点组成一个块；步骤s214：在各所述几何模型的三维流域网格的边界均使用所述块确定边界面。4.根据权利要求2所述的一种环下润滑收油过程的仿真方法，其特征在于：在步骤s23中，预设置snappyhexmesh网格生成工具具体包括以下子步骤：步骤s231：设置snappyhexmeshdict字典文件和几何(geometry)字典文件；步骤s232：在所述snappyhexmeshdict字典文件调出刻画网格和贴片网格；步骤s233：在所述geometry字典文件输入各几何模型的文件；步骤s234：调整最大全局网格数、最小网格加密等级和不同等级网格之间的过渡网格数量，对整体网格和旋转区域网格分别进行划分和加密。5.根据权利要求1所述的一种环下润滑收油过程的仿真方法，其特征在于：在步骤s3中，所述计算流体力学模型为vof模型，具体的模型方程如下：
其中，α为相函数；τ为时间；ρ为密度；u为速度；p
rgh
为相对压力；g为重力加速度；为表面张力项；v为粘度；h为网格单元体心的位置矢量。6.根据权利要求1所述的一种环下润滑收油过程的仿真方法，其特征在于：在步骤s5中，在各所述几何模型的三维流域网格进行两相流体数值计算，得到两相流体中其中一相流体通过各所述几何模型的三维流域网格的边界的质量，具体包括以下子步骤：步骤s51：获取各几何模型的三维流域网格的边界质量流量随时间的变化；步骤s52：将各几何模型的三维流域网格的边界质量流量均乘以两相流体中其中一相流体的相函数，得到各对应相流体的质量流量；步骤s53：获取各对应相流体的质量流量的记录文件。7.根据权利要求1所述的一种环下润滑收油过程的仿真方法，其特征在于：在步骤s6中，还包括以下子步骤：根据两相流体中其中一相流体通过各所述几何模型的三维流域网格的边界的质量，获得整个收油过程的收油效率，具体计算公式如下：其中，efficiency为收油效率；m
inner_outlet1
为通过inner_outlet1边界的润滑油的质量；m
inner_outlet2
为通过inner_outlet2边界的润滑油的质量；m
inner_outlet3
为通过inner_outlet3边界的润滑油的质量；m
inlet
为通过inlet边界的润滑油的质量。

技术总结
本发明公开了一种环下润滑收油过程的仿真方法，包括以下步骤：建立环下润滑中所需要用到的几何模型；基于Openfoam中的snappyHexMesh网格生成工具对各几何模型进行贴片网格划分，得到各几何模型的三维流域网格；建立计算流体力学模型；设置各几何模型的三维流域网格的边界的边界条件和流体属性；在各几何模型的三维流域网格进行两相流体数值计算，得到两相流体中其中一相流体通过各几何模型的三维流域网格的边界的质量；使用paraView可视化工具获得环下润滑收油过程中润滑油的两相流体分布和速度分布。本发明解决了采用传统实验方式无法获取流场中任一点的速度、压力、润滑油和空气分别所占流场体积的具体比例的问题。具体比例的问题。具体比例的问题。


技术研发人员：陈云 宋奥柯 余鹏飞 温官海 钟一鸣 赖声宝 覃经文 陈新
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/10/8