[發明專利]一種水潤滑橡膠軸承雙向熱流固耦合計算方法

在審

• 申請號: 201710910189.1
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107506562A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 李明;劉佳蕾;李鵬超;韓永超
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京彭麗芳知識產權代理有限公司11407
• 代理人: 彭麗芳

1.一種水潤滑橡膠軸承雙向熱流固耦合計算方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：根據水潤滑橡膠軸承的特殊結構、實際運轉工況，結合水潤滑橡膠軸承的傳熱特點，設置求解過程基本假設；

步驟2：確定水潤滑橡膠軸承流體、固體、溫度場的耦合邊界條件，包括入口邊界、出口邊界和壁面邊界條件；

步驟3：建立水潤滑橡膠軸承流體域和固體域求解模型；

步驟4：借助有限元軟件平臺和專業的劃分網格軟件對水潤滑橡膠軸承流體域和固體域進行網格劃分；

步驟5：建立水潤滑橡膠軸承流體域、固體域以及傳熱特性的微分控制方程；

步驟6：建立水潤滑橡膠軸承熱流固耦合模型，采用數值方法求解，獲得流體域、固體域和溫度場的變形情況。

2.如權利要求1所述的一種水潤滑橡膠軸承雙向熱流固耦合計算方法，其特征在于，所述步驟6中的水潤滑橡膠軸承熱流固耦合模型包括

(1)流體控制方程

①連續方程

連續方程也稱為質量守恒方程，流體運動必須滿足連續方程，微分形式為：

∂ρ∂t+∂(ρux)∂x+∂(ρuy)∂y+∂(ρuz)∂z=0]]>

式中，u_x、u_y、u_z為x、y、z方向速度分量，m/s；ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；

引入哈密頓算子

▿=i∂∂x+j∂Qy+k∂∂z]]>

則上式可描述為

∂ρ∂t+▿·(ρu→)=0;]]>

②動量方程

動量方程其實質是牛頓第二定律，基于該定律，可以得到x、y、z三個方向的動量方程：

∂(ρux)∂t+▿·(ρuxu→)=-∂p∂x+∂τxx∂x+∂τyx∂y+∂τzx∂z+ρfx∂(ρuy)∂t+▿·(ρuyu→)=-∂p∂y+∂τxy∂x+∂τyy∂y+∂τzy∂z+ρfy∂(ρuz)∂t+▿·(ρuzu→)=-∂p∂z+∂τxz∂x+∂τyz∂y+∂τzz∂z+ρfz]]>

式中，p為流體微元體上的壓強，Pa；τ_xx、τ_xy、τ_xz等為黏性應力τ的分量，Pa；f_x、f_y、f_z為x、y、z方向的單位質量力，m/s²，若質量力只有重力，z軸豎直向上，則f_x＝f_y＝0，f_z＝-g；

③能量方程

滿足能量守恒定律是考慮熱交換的系統的必要條件，能量方程的核心為熱力學第一定律，可表示為

∂(ρE)∂t+▿·[u→(ρE+p)]=▿·[keff▿T-ΣjhjJj+(τeff·u→)]+Sh]]>

式中，E為流體微團總焓值，J/kg，由內能、勢能和動能組成，E＝h-p/ρ+u²/2；h為焓值，J/kg；h_j為組分j的焓值，J/kg；J_j為組分j的擴散通量；k_eff為有效熱傳導系數，W/(m·K)，k_eff＝k+k_t，k_t為湍流熱傳導系數，由湍流模型來確定；S_h為包括化學反應及其他體積熱源項；

(2)固體控制方程

流體作用下產生的固體位移和振動控制方程

Msd2rdt2+Csdrdt+Ksr+τs=0]]>

式中，M_s為質量矩陣；C_s為阻尼矩陣；K_s為剛度矩陣；τ_s為應力；

(3)傳熱控制方程

基本傳熱方程

Q＝kAΔt_m

式中，k為傳熱系數，W/(m²·K)；A為面積，m²；Δt_m為平均溫差；

傳熱系數k依據實際問題進行計算；

(4)耦合控制方程

流體與固體位移、熱流密度、溫度等變量在流固交界面應滿足以下方程

n·τf=n·τsrf=rsqf=qsTf=Ts]]>

式中，q為熱流密度，W/m²；T為溫度。