基于OpenFOAM的气体静压轴承气膜压力场分布仿真方法与流程

基于openfoam的气体静压轴承气膜压力场分布仿真方法
技术领域
1.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：

2.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。
3.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。。


技术实现要素：

4.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。
5.一种基于openfoam的气体静压轴承压力场分布仿真方法，包括以下步骤：
6.1)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；
7.2)设置边界条件、壁面函数和计算参数；
8.3)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；
9.4)进行可压缩稳态计算，获得气体静压轴承压力场分布特性；
10.优选地，步骤1)所述轴承气膜间隙的大小为10～25μm。
11.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。
12.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。
13.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。
14.优选地，步骤3)建立控制方程的通用形式：
[0015][0016]
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。
[0017]
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：
[0018][0019][0020]
p＝ρrt
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0021]
以上三个方程可用于迭代求解三个未知量：速度、压力、密度。对于定常流动，选择simple算法，保留压力梯度项(不离散)，舍去时间导数项(定常计算)。其中，对于方程(1)，由于其并不包含时间项，因此在求解过程中并不存在对质量方程的求解。首先对方程(2)通过高斯定理进行对速度u的离散，组建速度方程，再经过中心线性插值格式变换后，最后整理可得到：
[0022][0023]
其中，分别代表当前网格点与相邻网格点的离散系数，求解方程(4)即可获得速度
[0024]
在下一个迭代步，速度、密度以及压力需要满足连续性方程，因此需要对相应的量进行修正。对公式(1)进行离散修正后得到：
[0025][0026]
其中，求解方程(5)获得压力p
n 1
，再通过状态方程(3)求解密度ρ。
[0027]
求解过程中要对压力、速度选择合适的离散方程组求解方式，不同的求解方式在收敛速度、求解精度具有不同的效益。
[0028]
优选地，步骤4)基于openfoam平台开发的可压缩稳态求解器，进行定常可压缩流动数值计算，从而得到气体静压轴承气膜压力场分布特性。
[0029]
本发明的可压缩稳态求解器是基于开源软件openfoam平台开发的流动求解器，综合考虑了气体介质可压缩特性，以及气体介质物质属性受温度变化的影响，建立sstk-ω湍流模型，使得计算在广泛的流动领域中有更高的精度和可信度。
[0030]
本发明的可压缩稳态求解器，采用了simple算法，选择合适的方程离散形式以及矩阵的求解方式，对方程组进行分离式求解，进一步提高仿真的精度。
[0031]
本发明通过选用合适的边界类型条件和壁面函数，使得在进壁面处具有更加快速的计算方式和更好的收敛性。
[0032]
本发明的气体静压轴承气膜压力场分布仿真方法，基于开源软件openfoam可二次编译的优点，考虑到该模型的结构以及仿真环境，进行针对性编译仿真，能够提高气膜压力场分布仿真的精度。
[0033]
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。
附图说明
[0034]
图1是本发明方法的流程图；
[0035]
图2a和图2b是本发明中气体静压轴承气体流动域三维精细化网格分布示意图，其中图2a是本发明案例中三维模型的半剖视图，图2b是基于三维模型生成的网格图；
[0036]
图3是本发明中气体静压轴承压力场分布仿真结果图。
具体实施方式
[0037]
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
参照各附图，本发明提供的一种基于openfoam的气体静压轴承压力场分布仿真方法，其流程图如图1所示。
[0039]
在第三方建模软件上建立气体静压轴承气体流动域三维结构，并划分网格，如附图2a半剖视图所示。其中气体静压轴承气膜间隙的大小为10～25μm，气膜直径为50mm，节流孔个数为6个，呈圆周式分布，其分布圆直径为13mm。模型导入后，在openfoam中的constant/turbulenceproperties文件中建立湍流模型，湍流模型建立为sstk-ω模型。
[0040]
建立可压缩稳态求解器(rhosimplefoam)的控制方程的通用形式：
[0041][0042]
并对其中一些项进行离散。其中，对流项采用bounded类格式的gauss linearupwind进行离散，拉普拉斯项采用gauss linear corrected进行离散。速度梯度u、湍动能k以及湍动能比耗散率ω采用带celllimited修正的gauss linear离散格式，相应的参数可在system/fvschemes文件中建立。
[0043]
进一步，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：
[0044][0045][0046]
p＝ρrt
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0047]
以上三个方程可用于迭代求解三个未知量：速度、压力、密度。对于定常流动，选择simple算法，保留压力梯度项(不离散)，舍去时间导数项(定长计算)。其中，对于方程(1)，由于其并不包含时间项，因此在求解过程中并不存在对质量方程的求解。首先对方程(2)通
过高斯定理进行对速度u的离散，组建速度方程，再经过中心线性插值格式变换后，最后整理可得到：
[0048][0049]
其中，分别代表当前网格点与相邻网格点的离散系数，求解方程(4)即可获得速度
[0050]
进一步，在下一个迭代步，速度、密度以及压力需要满足连续性方程，因此需要对相应的量进行修正。对公式(1)进行离散修正后得到：
[0051][0052]
其中，求解方程(5)获得压力p
n 1
，再通过状态方程(3)求解密度ρ。
[0053]
压力采用基于代数多重网格法的迭代求解方式(game)，该方式可同时求解对阵矩阵和非对称矩阵，速度采用带附加条件的双共轭梯度法(pbicg)，主要用于求解反对称矩阵。梯度项采用高斯算法，线性插值；拉普拉斯项采用高斯理论，线性插值，带有非网格正交修正。相应的方程求解方法可以在system/fvsolution文件中进行设定。
[0054]
接着，在openfoam软件中，设置三维气体流动域边界条件以及边界类型，入口设置为fixedvalue类型，出口设置为zerogradient和noslip类型，入口和出口均采用压力边界条件。其余壁面采用相应的壁面函数：湍动能k选用kqrwallfunction，粘度系数nut选用nutkwallfunction，比耗散率ω选用omegawallfunction，湍动能耗散率e选用epsilonwallfunction。相应的边界条件以及边界类型均在openfoam中0文件夹中设置。
[0055]
边界类型如下表所示：
[0056] knutωpinletfixedvaluecalculatedfixedvaluefixedvalueoutletzerogradientcalculatedzerogradientfixedvaluewallskqrwallfunctionnutkwallfunctionomegawallfunctionzerogradient
[0057]
其中，入口压力边界条件分别设置为0.3mpa、0.4mpa以及0.5mpa，出口压力边界条件均为大气压。
[0058]
进一步，采用可压缩稳态求解器(rhosimplefoam)进行气体静压轴承气膜压力场分布求解计算，得到气膜力分布特性及数值解。相应的结果可以在后处理软件paraview中进行查看，如图3所示。
[0059]
最后，获得气体静压轴承可压缩稳态流场特性，基于开源软件openfoam对气体静压轴承仿真求解器进行针对性的设置，获得其压力场分布特性。
[0060]
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。