CN116108566A - 一种航空发动机轴承腔两相流仿真方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种航空发动机轴承腔两相流仿真方法及装置,涉及航空发动机仿真技术领域,该方法应用于航空发动机轴承腔的几何模型,所述几何模型包括腔体旋转壁面,腔体静止壁面,润滑油进口、空气进口、润滑油出口和空气出口;该方法包括:对航空发动机轴承腔的几何模型进行网格划分,得到离散后的笛卡尔网格;设置离散后的笛卡尔网格的计算域的初始条件和边界条件;根据设置的初始条件和边界条件,对航空发动机轴承腔的几何模型进行流场仿真计算,得到当前时刻的每个网格点的混合流场的物理量分布。本申请在模拟计算中能够用较少的网格和计算量,精确获得发动机轴承腔内润滑油的分布形态,节省计算时间。
Description
技术领域
本申请涉及航空发动机仿真技术领域,尤其是涉及一种航空发动机轴承腔两相流仿真方法及装置。
背景技术
作为航空发动机的组成部分之一,润滑***主要承担润滑和冷却的功能,从而保证发动机长时间、高可靠的稳定工作。目前航空发动机产业仍在加速发展,其工作环境更加恶劣,对发动机的性能要求更高,这也对润滑***提出了更加严格的要求。
航空发动机工作时,轴承腔中的滑油在轴承高速旋转作用下,与腔内密封气体相互作用形成复杂的油气两相共存的流动分布状态。由于其对轴承腔的润滑设计及换热分析均有较大影响,研究腔内油气两相流可以提高研究的可靠性和精确性。
航空发动机轴承腔内的两相流仿真问题涉及到界面迁移、破碎等形变问题,传统计算流体方法,如VOF(Volume of Fluid)和LevelSet等需要对界面进行追踪或捕获,增加了两相流问题计算模型的复杂度,还无法从微观角度考虑分子之间的相互作用。
发明内容
有鉴于此,本申请提供了一种航空发动机轴承腔两相流仿真方法及装置,以解决上述技术问题。
第一方面,本申请实施例提供一种航空发动机轴承腔两相流仿真方法,应用于航空发动机轴承腔的几何模型,所述几何模型包括腔体旋转壁面,腔体静止壁面,润滑油进口、空气进口、润滑油出口和空气出口;所述方法包括:
对航空发动机轴承腔的几何模型进行网格划分,得到离散后的笛卡尔网格;
设置离散后的笛卡尔网格的计算域的初始条件和边界条件;
根据设置的初始条件和边界条件,对航空发动机轴承腔的几何模型进行流场仿真计算,得到当前时刻的每个网格点的混合流场的物理量分布。
进一步地,设置离散后的笛卡尔网格的计算域的初始条件和边界条件,包括:
设置初始时刻的计算域中的润滑油分布和空气分布;
获取润滑油进口处的密度和速度,设置润滑油进口处的分布函数的边界条件:
其中,t表示当前时刻,xr表示润滑油进口边界处的坐标,ρr表示润滑油进口边界处的密度,ur表示润滑油进口边界处的速度矢量,xrf表示紧邻润滑油进口边界处的流体域的坐标,urf表示紧邻润滑油进口边界处的流体域的速度矢量,ρrf表示紧邻润滑油进口边界处的流体域的密度,fr(xr,t)表示t时刻xr处的密度分布函数,表示密度分布函数的平衡态;
获取润滑油出口处的密度和压力,根据状态方程计算得到密度,再计算得到对应的速度,由此设置润滑油出口处的分布函数的边界条件;
获取空气进口处的密度和速度,设置空气进口处的密度分布函数的边界条件:
其中,xa表示空气进口边界处的坐标,ρa表示空气进口边界处的密度,ua表示空气进口边界处的速度矢量,xaf表示紧邻空气进口边界处的流体域的坐标,uaf表示紧邻空气进口边界处的流体域的速度矢量,ρaf表示紧邻空气进口边界处的流体域的密度,fa(xr,t)表示t时刻xr处的空气密度分布函数,表示空气密度分布函数的平衡态;
获取空气出口处的密度和压力,根据状态方程计算得到密度,再计算得到对应的速度,由此设置空气出口处的分布函数的边界条件;
所述壁面边界处的混合流体的密度分布函数的边界条件为:
其中,xb表示壁面边界处的坐标,Δt表示时间步长,uw表示壁面边界处的速度矢量,当壁面为腔体静止壁面,uw=0,ρw表示壁面边界处的密度,wk表示权重系数,ek为第k个离散速度方向的矢量,cs为声速,fk(xb,t)表示t时刻xb处的密度分布函数,k表示分布函数的方向的序号,表示t-Δt时刻碰撞后与第k个速度方向相反的速度方向的分布函数。
进一步地,根据设置的初始条件和边界条件,对航空发动机轴承腔的几何模型进行流场仿真计算,得到当前时刻的每个网格点的混合流场的物理量分布;包括:
根据多松弛碰撞算子的LBM分布函数演化方程,计算当前时刻t网格点x的润滑油的密度分布函数的矢量fr,其中,fr=(fr,1,fr,2,…fr,K),K为离散速度方向的个数;
计算当前时刻t网格点x的润滑油密度ρr(t,x):
计算当前时刻t网格点x的润滑油速度ur(t,x):
其中,ek为第k个离散速度方向的矢量;
根据多松弛碰撞算子的LBM分布函数演化方程,计算网格点x在当前时刻t的空气的密度分布函数的矢量fa,其中,fa=(fa,1,fa,2,…fa,K);
计算当前时刻t网格点x的空气密度ρa(t,x):
计算当前时刻t网格点x的空气速度ua(t,x):
则当前时刻t网格点x的混合流体密度ρ(t,x)为:
ρ(t,x)=ρr(t,x)+ρa(t,x)
则当前时刻t网格点x的混合流体速度u(t,x)为:
其中,Fr,total为润滑油合力,Fa,total为空气合力。
进一步地,根据多松弛碰撞算子的LBM分布函数演化方程,计算当前时刻t网格点x的润滑油的密度分布函数的矢量fr;包括:
矢量fr的第k个分量fr,k的计算公式为:
其中,fr(x-ekΔt,t-Δt)为上一时刻t-Δt在x-ekΔt处的密度分布函数;M-1为变换矩阵M的逆;Sr为松弛矩阵,mr(x-ekΔt,t-Δt)为密度分布函数fr(x-ekΔt,t-Δt)的矩,为密度分布函数fr(x-ekΔt,t-Δt)的平衡矩,Fr(x-ekΔt,t-Δt)为上一时刻t-Δt在x-ekΔt处所受的润滑油外力;
润滑油外力Fr(x-ekΔt,t-Δt)的计算公式为:
其中,ρr(t-Δt,x)为上一时刻t-Δt网格点x的润滑油密度;ueq为上一时刻t-Δt的网格点x的混合流体的平衡速度:
润滑油漂移速度Δur的计算公式为:
Δur=Fr,totalΔt/ρr(t-Δt,x)
其中,润滑油合力Fr,total为:
润滑油与空气之间的作用力Fra为:
其中,gra为润滑油与空气之间相互作用的强度,wk为第k个离散速度方向的权重系数;
其中,g为重力系数。
进一步地,根据多松弛碰撞算子的LBM分布函数演化方程,计算当前时刻t的网格点x的空气的密度分布函数的矢量fa;包括:
矢量fa的第k个分量fa,k的计算公式为:
其中,fa(x-ekΔt,t-Δt)为上一时刻t-Δt在x-ekΔt处的空气密度分布函数;Sa为松弛矩阵,ma(x-ekΔt,t-Δt)为密度分布函数fa(x-ekΔt,t-Δt)的矩,为密度分布函数fa(x-ekΔt,t-Δt)的平衡矩,Fa(x-ekΔt,t-Δt)为上一时刻t-Δt在x-ekΔt处所受的空气外力:
空气外力Fa(x-ekΔt,t-Δt)的计算公式为:
其中,ρa(t-Δt,x)为上一时刻t-Δt网格点x的空气密度;
空气漂移速度Δua的计算公式为:
Δua=Fa,totalΔt/ρa(t-Δt,x)
其中,空气合力Fa,total为:
空气与润滑油之间的作用力Far为:
其中,gar为空气与润滑油之间相互作用的强度,wk为第k个离散速度方向的权重系数;
进一步地,所述方法还包括:
进一步地,对航空发动机轴承腔的几何模型进行网格划分,得到离散后的笛卡尔网格之后还包括:
其中,A0为加密等级因子常数,[]代表取整数运算,tanh(·)为双曲正切函数,Cα为设定的梯度的模的参考值,用来确定根据不同的梯度的模的大小来进行加密的程度;
对于计算域中的正方形网格,进行2A次切分,从而实现相界面的网格加密。
进一步地,对航空发动机轴承腔的几何模型进行网格划分,得到离散后的笛卡尔网格之后还包括:
第二方面,本申请实施例提供一种航空发动机轴承腔两相流仿真装置,应用于航空发动机轴承腔的几何模型,所述几何模型包括腔体旋转壁面,腔体静止壁面,润滑油进口、空气进口、润滑油出口和空气出口;所述装置包括:
网格划分单元,用于对航空发动机轴承腔的几何模型进行网格划分,得到离散后的笛卡尔网格;
设置单元,用于设置离散后的笛卡尔网格的计算域的初始条件和边界条件:
计算单元,用于根据设置的初始条件和边界条件,对航空发动机轴承腔的几何模型进行流场仿真计算,得到当前时刻的每个网格点的混合流场的物理量分布。
第三方面,本申请实施例提供一种电子设备,包括:存储器、处理器和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现本申请实施例的方法。
第四方面,本申请实施例提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机指令,所述计算机指令被处理器执行时实现本申请实施例的方法。
本申请在模拟计算中能够用较少的网格和计算量,精确获得发动机轴承腔内润滑油的分布形态,节省计算时间。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本申请的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的航空发动机轴承腔两相流仿真方法的流程图;
图2为本申请实施例提供的航空发动机轴承腔几何模型的示意图;
图3为本申请实施例提供的航空发动机轴承腔几何模型划分的笛卡尔网格的示意图;
图4为本申请实施例提供的航空发动机轴承腔两相流动的流形图;
图5为本申请实施例提供的航空发动机轴承腔两相流仿真装置的功能结构图;
图6为本申请实施例提供的电子设备的结构图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中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申请一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
首先对本申请实施例的设计思想进行简单介绍。
航空发动机轴承腔内的两相流仿真问题涉及到界面迁移、破碎等形变问题,传统计算流体方法,如VOF(Volume of Fluid)和Level Set等需要对界面进行追踪或捕获,增加了两相流问题计算模型的复杂度,还无法从微观角度考虑分子之间的相互作用。
为此,本申请提供一种航空发动机轴承腔两相流仿真方法,该方法使用格子玻尔兹曼方法(LBM)计算航空发动机轴承腔两相流动,作为一种扩散界面法无需追踪、捕获或重构复杂的相界面,降低了计算的复杂度,同时,计算过程中引入了与相体积分数梯度相关的加密和粗化等级因子,可以随着相界面的移动自动的进行网格加密和粗化,保证了两相流形态的精确快速计算。
本申请能够使用模拟计算获得精度较高的物理量结果,在模拟计算中能够用较少的网格和计算量,精确获得发动机轴承腔内润滑油的分布形态,节约了计算时间,有利于解释航空发动机轴承腔内流动现象的流动机理。
在介绍了本申请实施例的应用场景和设计思想之后,下面对本申请实施例提供的技术方案进行说明。
如图1所示,本申请实施例提供了一种航空发动机轴承腔内两相流仿真方法,应用于航空发动机轴承腔几何模型,所述轴承腔模型包括腔体旋转壁面,腔体静止壁面,润滑油进口、空气进口、润滑油出口和空气出口,如图2所示;可以使用三维建模软件UG建立几何模型。
所述方法包括:
步骤101:对航空发动机轴承腔的几何模型进行网格划分,得到离散后的笛卡尔网格;
为了快速并且精确的计算相界面的形状变化,使用动态自适应网格方法,根据相体积分数的变化动态的对计算网格进行加密和粗化。主要思想是在相界面附近对网格进行加密来提高对于相界面的分辨率,对于气相或者液相内部的网格进行粗化来提高计算速度。
具体的网格加密方法为:计算相体积分数的梯度,确定加密等级因子对计算网格进行动态的细化。所述的体积分数的梯度和加密等级因子满足如下关系式:
其中,A为加密等级因子,A0为加密等级因子常数,优选的,取值取为2,为相体积分数梯度的模,[]代表取整数运算,tanh(·)为双曲正切函数,Cα为设定的梯度的模的参考值,这里取为100,用来确定根据不同的梯度的模的大小来进行加密的程度。这里引入网格最小尺寸限制,即:当网格加密后的尺寸达到最小尺寸限制的时候,即使满足细化条件,后续也不再继续进行网格切分操作。使用动态自适应网格加密方法可以自动的随着相界面的移动对相界面的计算网格进行加密,提高了计算精度。壁面处进行网格加密来提高壁面附近的计算精度,如图3所示。
其中∈为给定的粗化阈值,取值为0.05。其思想为当梯度的模小于设定的粗化阈值时,对网格进行两层合并,当梯度的模大于粗化阈值时,不进行网格合并操作。这里引入网格最大尺寸限制,即:当网格粗化后的尺寸达到最大尺寸限制的时候,即使满足粗化条件,后续也不再继续进行网格合并操作。使用动态自适应网格粗化方法可以自动的随着相界面的移动对相内部的计算网格进行粗化,提高了计算速度。
步骤102:设置离散后的笛卡尔网格的计算域的初始条件和边界条件;
航空发动机轴承腔两相仿真的初始条件为给定计算域中的润滑油和空气的初始分布,具体的给定润滑油的体积分数。
润滑油进口处边界根据具体的物理场景可以实现宏观的速度进口、流量入口或者压力入口条件。其中,对于流量入口条件,因为在格子玻尔兹曼方法中没有直接的流量物理量,因此需要间接的换算为等效的速度进口条件。根据润滑油质量流量密度ρ,速度U,入口截面面积A,满足的关系式计算得到进口的速度值,来实施边界条件。
获取润滑油进口处的密度和速度,设置润滑油进口处的分布函数的边界条件:
其中,t表示当前时刻,xr表示润滑油进口边界处的坐标,ρr表示润滑油进口边界处的润滑油密度,ur表示润滑油进口边界处的润滑油速度矢量,xrf表示紧邻润滑油进口边界处的流体域的坐标,urf表示紧邻润滑油进口边界处的流体域的速度矢量,ρrf表示紧邻润滑油进口边界处的流体域的密度,fr(xr,t)表示t时刻xr处的密度分布函数,表示密度分布函数的平衡态。
所述轴承腔的润滑油出口可以根据具体的物理场景给定为压力出口或者自由出流边界。所述轴承腔的润滑油出口为压力出口,所述为压力出口具体实现方法为根据不可压流体满足的状态方程在已知压力的情况下计算得到密度,其中p为压力,ρ为密度,cs为声速,然后使用润滑油入口处的分布函数实施边界条件。所述自由出流边界的具体实现方法为在每一次迭代计算结束后,所述润滑油出口的边界处网格点的分布函数数值设置为紧邻边界的内部网格点的分布函数数值。
所述密封空气进口为速度进口,使用和润滑油速度入口同样的处理方法,在格子玻尔兹曼方法中具体实施边界条件:
获取空气进口处的密度和速度,设置空气进口处的密度分布函数的边界条件:
其中,xa表示空气进口边界处的坐标,ρa表示空气进口边界处的密度,ua表示空气进口边界处的速度矢量,xaf表示紧邻空气进口边界处的流体域的坐标,uaf表示紧邻空气进口边界处的流体域的速度矢量,ρaf表示紧邻空气进口边界处的流体域的密度,fa(xr,t)表示t时刻xr处的空气密度分布函数,表示空气密度分布函数的平衡态。
所述轴承腔的空气出口可以根据具体的物理场景给定为压力出口或者自由出流边界。使用和润滑油出口同样的处理方法,在格子玻尔兹曼方法中具体实施边界条件。
所述航空发动机轴承腔的旋转壁面给定为固定旋转速度的壁面条件,具体实施方法为:旋转壁面处的格子点的分布函数在碰撞和迁移过程以后需要根据与旋转壁面碰撞中是得到动量还是损失动量来进行速度修正。
所述壁面边界处的混合流体的密度分布函数的边界条件为:
其中,xb表示壁面边界处的坐标,Δt表示时间步长,uw表示壁面边界处的速度矢量,当壁面为腔体静止壁面,uw=0,ρw表示壁面边界处的密度,wk表示权重系数,ek为第k个离散速度方向的矢量,cs为声速,fk(xb,t)表示t时刻xb处的密度分布函数,k表示分布函数的方向的序号,表示t-Δt时刻碰撞后的与第k个速度方向相反的速度方向的分布函数。
所述航空发动机轴承腔的静止壁面给定为无滑移壁面条件,具体实施方法为:壁面处的LBM格点分布函数在碰撞和迁移过程以后对分布函数进行反弹,从壁面边界流入计算域的分布函数的数值取为相反方向的分布函数的数值。
步骤103:根据设置的初始条件和边界条件,对航空发动机轴承腔的几何模型进行流场仿真计算,得到当前时刻的每个网格点的混合流场的物理量分布。
所述的仿真计算具体的求解过程为按照给定的计算时长,按照时间推进的方法进行碰撞过程和迁移过程的方程计算,直到达到设置的时间步长数。松弛因子为:τ=0.8,最大的时间步长取为:Δt=0.0001s,空气的运动粘度取为:1.48×10-5m2/s,润滑油的运动粘度取为:17.7390m2/s。其中当地空间步长根据松弛因子与时间步长、空间步长以及运动粘度的关系确定:
本实施例中,该步骤包括:
根据多松弛碰撞算子的LBM分布函数演化方程,计算当前时刻t网格点x的润滑油的密度分布函数的矢量fr,其中,fr=(fr,1,fr,2,…fr,K),K为离散速度方向的个数;
计算当前时刻t网格点x的润滑油密度ρr(t,x):
计算当前时刻t网格点x的润滑油速度ur(t,x):
其中,ek为第k个离散速度方向的矢量;
根据多松弛碰撞算子的LBM分布函数演化方程,计算网格点x在当前时刻t的空气的密度分布函数的矢量fa,其中,fa=(fa,1,fa,2,…fa,K);
计算当前时刻t网格点x的空气密度ρa(t,x):
计算当前时刻t网格点x的空气速度ua(t,x):
则当前时刻t网格点x的混合流体密度ρ(t,x)为:
ρ(t,x)=ρr(t,x)+ρa(t,x)
则当前时刻t网格点x的混合流体速度u(t,x)为:
其中,Fr,total为润滑油合力,Fa,total为空气合力。
将混合流体密度和混合流体速度分布导入到后处理软件Tecplot显示两相流的形态分布,如图4所示。
其中,根据多松弛碰撞算子的LBM分布函数演化方程,计算当前时刻t网格点x的润滑油的密度分布函数的矢量fr;包括:
矢量fr的第k个分量fr,k的计算公式为:
其中,fr(x-ekΔt,t-Δt)为上一时刻t-Δt在x-ekΔt处的密度分布函数;M-1为变换矩阵M的逆;Sr为松弛矩阵,mr(x-ekΔt,t-Δt)为密度分布函数fr(x-ekΔt,t-Δt)的矩,为密度分布函数fr(x-ekΔt,t-Δt)的平衡矩,Fr(x-ekΔt,t-Δt)为上一时刻t-Δt在x-ekΔt处所受的润滑油外力;
润滑油外力Fr(x-ekΔt,t-Δt)的计算公式为:
其中,ρr(t-Δt,x)为上一时刻t-Δt网格点x的润滑油密度;ueq为上一时刻t-Δt的网格点x的混合流体的平衡速度:
润滑油漂移速度Δur的计算公式为:
Δur=Fr,totalΔt/ρr(t-Δt,x)
其中,润滑油合力Fr,total为:
润滑油与空气之间的作用力Fra为:
其中,gra为润滑油与空气之间相互作用的强度,wk为第k个离散速度方向的权重系数;
其中,g为重力系数。
其中,根据多松弛碰撞算子的LBM分布函数演化方程,计算当前时刻t的网格点x的空气的密度分布函数的矢量fa;包括:
矢量fa的第k个分量fa,k的计算公式为:
其中,fa(x-ekΔt,t-Δt)为上一时刻t-Δt在x-ekΔt处的空气密度分布函数;Sa为松弛矩阵,ma(x-ekΔt,t-Δt)为密度分布函数fa(x-ekΔt,t-Δt)的矩,为密度分布函数fa(x-ekΔt,t-Δt)的平衡矩,Fa(x-ekΔt,t-Δt)为上一时刻t-Δt在x-ekΔt处所受的空气外力;
空气外力Fa(x-ekΔt,t-Δt)的计算公式为:
其中,ρa(t-Δt,x)为上一时刻t-Δt网格点x的空气密度;
空气漂移速度Δua的计算公式为:
Δua=Fa,totalΔt/ρa(t-Δt,x)
其中,空气合力Fa,total为:
空气与润滑油之间的作用力Far为:
其中,gar为空气与润滑油之间相互作用的强度,wk为第k个离散速度方向的权重系数;
基于上述实施例,本申请实施例提供了一种航空发动机轴承腔两相流仿真装置,参阅图5所示,本申请实施例提供的航空发动机轴承腔两相流仿真装置200至少包括:
网格划分单元201,用于对航空发动机轴承腔的几何模型进行网格划分,得到离散后的笛卡尔网格;
设置单元202,用于设置离散后的笛卡尔网格的计算域的初始条件和边界条件;
计算单元203,用于根据设置的初始条件和边界条件,对航空发动机轴承腔的几何模型进行流场仿真计算,得到当前时刻的每个网格点的混合流场的物理量分布。
需要说明的是,本申请实施例提供的航空发动机轴承腔两相流仿真装置200解决技术问题的原理与本申请实施例提供的方法相似,因此,本申请实施例提供的航空发动机轴承腔两相流仿真装置200的实施可以参见本申请实施例提供的方法的实施,重复之处不再赘述。
如图6所示,本申请实施例提供的电子设备300至少包括:处理器301、存储器302和存储在存储器302上并可在处理器301上运行的计算机程序,处理器301执行计算机程序时实现本申请实施例提供的航空发动机轴承腔两相流仿真方法。
本申请实施例提供的电子设备300还可以包括连接不同组件(包括处理器301和存储器302)的总线303。其中,总线303表示几类总线结构中的一种或多种,包括存储器总线、***总线、局域总线等。
存储器302可以包括易失性存储器形式的可读介质,例如随机存储器(RandomAccess Memory,RAM)3021和/或高速缓存存储器3022,还可以进一步包括只读存储器(ReadOnly Memory,ROM)3023。
存储器302还可以包括具有一组(至少一个)程序模块3025的程序工具3024,程序模块3025包括但不限于:操作子***、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据,这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
电子设备300也可以与一个或多个外部设备304(例如键盘、遥控器等)通信,还可以与一个或者多个使得用户能与电子设备300交互的设备通信(例如手机、电脑等),和/或,与使得电子设备300与一个或多个其它电子设备300进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等)通信。这种通信可以通过输入/输出(Input/Output,I/O)接口305进行。并且,电子设备300还可以通过网络适配器306与一个或者多个网络(例如局域网(Local AreaNetwork,LAN),广域网(Wide Area Network,WAN)和/或公共网络,例如因特网)通信。如图6所示,网络适配器306通过总线303与电子设备300的其它模块通信。应当理解,尽管图6中未示出,可以结合电子设备300使用其它硬件和/或软件模块,包括但不限于:微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、磁盘阵列(Redundant Arrays of IndependentDisks,RAID)子***、磁带驱动器以及数据备份存储子***等。
需要说明的是,图6所示的电子设备300仅仅是一个示例,不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质存储有计算机指令,该计算机指令被处理器执行时实现本申请实施例提供的航空发动机轴承腔两相流仿真方法。
此外,尽管在附图中以特定顺序描述了本申请方法的操作,但是,这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作,或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地,可以省略某些步骤,将多个步骤合并为一个步骤执行,和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
尽管已描述了本申请的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种航空发动机轴承腔两相流仿真方法,应用于航空发动机轴承腔的几何模型,所述几何模型包括腔体旋转壁面,腔体静止壁面,润滑油进口、空气进口、润滑油出口和空气出口;其特征在于,所述方法包括:
对航空发动机轴承腔的几何模型进行网格划分,得到离散后的笛卡尔网格;
设置离散后的笛卡尔网格的计算域的初始条件和边界条件;
根据设置的初始条件和边界条件,对航空发动机轴承腔的几何模型进行流场仿真计算,得到当前时刻的每个网格点的混合流场的物理量分布。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,设置离散后的笛卡尔网格的计算域的初始条件和边界条件,包括:
设置初始时刻的计算域中的润滑油分布和空气分布;
获取润滑油进口处的密度和速度,设置润滑油进口处的分布函数的边界条件:
其中,t表示当前时刻,xr表示润滑油进口边界处的坐标,ρr表示润滑油进口边界处的润滑油密度,ur表示润滑油进口边界处的润滑油速度矢量,xrf表示紧邻润滑油进口边界处的流体域的坐标,urf表示紧邻润滑油进口边界处的流体域的速度矢量,ρrf表示紧邻润滑油进口边界处的流体域的密度,fr(xr,)表示t时刻xr处的密度分布函数,表示密度分布函数的平衡态;
获取润滑油出口处的密度和压力,根据状态方程计算得到密度,再计算得到对应的速度,由此设置润滑油出口处的分布函数的边界条件;
获取空气进口处的密度和速度,设置空气进口处的密度分布函数的边界条件:
其中,xa表示空气进口边界处的坐标,ρa表示空气进口边界处的密度,ua表示空气进口边界处的速度矢量,xaf表示紧邻空气进口边界处的流体域的坐标,uaf表示紧邻空气进口边界处的流体域的速度矢量,ρaf表示紧邻空气进口边界处的流体域的密度,fa(xr,t)表示t时刻xr处的空气密度分布函数,表示空气密度分布函数的平衡态;
获取空气出口处的密度和压力,根据状态方程计算得到密度,再计算得到对应的速度,由此设置空气出口处的分布函数的边界条件;
所述壁面边界处的混合流体的密度分布函数的边界条件为:
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,根据设置的初始条件和边界条件,对航空发动机轴承腔的几何模型进行流场仿真计算,得到当前时刻的每个网格点的混合流场的物理量分布;包括:
根据多松弛碰撞算子的LBM分布函数演化方程,计算当前时刻t网格点x的润滑油的密度分布函数的矢量Fr,其中,FR=(Fr,1,fr,2,…Fr,K),K为离散速度方向的个数;
计算当前时刻t网格点x的润滑油密度ρr(t,x):
计算当前时刻t网格点x的润滑油速度ur(t,x):
其中,el为第k个离散速度方向的矢量;
根据多松弛碰撞算子的LBM分布函数演化方程,计算网格点x在当前时刻t的空气的密度分布函数的矢量fa,其中,fa=(fa,1,fa,2,…fa,K);
计算当前时刻t网格点x的空气密度ρa(t,x):
计算当前时刻t网格点x的空气速度ua(t,x):
则当前时刻t网格点x的混合流体密度ρ(t,x)为:
ρ(t,x)=ρr(t,x)+ρa(t,x)
则当前时刻t网格点x的混合流体速度u(t,x)为:
其中,Fr,total为润滑油合力,Fa,total为空气合力。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,根据多松弛碰撞算子的LBM分布函数演化方程,计算当前时刻t网格点x的润滑油的密度分布函数的矢量fr;包括:
矢量fr的第k个分量fr,k的计算公式为:
其中,fr(x-ekΔt,t-Δt)为上一时刻t-Δt在x-ekΔt处的密度分布函数;M-1为变换矩阵M的逆;Sr为松弛矩阵,mr(x-ekΔt,t-Δt)为密度分布函数fr(x-ekΔt,t-Δt)的矩,为密度分布函数fr(x-ekΔt,t-Δt)的平衡矩,Fr(x-ekΔt,t-Δt)为上一时刻t-Δt在x-ekΔt处所受的润滑油外力;
润滑油外力Fr(x-ekΔt,t-Δt)的计算公式为:
其中,ρr(-Δt,x)为上一时刻t-Δt网格点x的润滑油密度;ueq为上一时刻t-Δt的网格点x的混合流体的平衡速度:
润滑油漂移速度Δur的计算公式为:
Δur=r,totalΔt/r(-Δt,x)
其中,润滑油合力Fr,total为:
润滑油与空气之间的作用力Fra为:
其中,gra为润滑油与空气之间相互作用的强度,wk为第k个离散速度方向的权重系数;
其中,g为重力系数。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,根据多松弛碰撞算子的LBM分布函数演化方程,计算当前时刻t的网格点x的空气的密度分布函数的矢量fa;包括:
矢量fa的第k个分量fa,k的计算公式为:
其中,fa(x-ekΔt,t-Δt)为上一时刻t-Δt在x-ekΔt处的空气密度分布函数;Sa为松弛矩阵,ma(x-ekΔt,t-Δt)为密度分布函数fa(x-ekΔt,t-Δt)的矩,为密度分布函数fa(x-ekΔt,t-Δt)的平衡矩,Fa(x-ekΔt,t-Δt)为上一时刻t-Δt在x-ekΔt处所受的空气外力;
空气外力Fa(x-ekΔt,t-Δt)的计算公式为:
其中,ρa(-Δt,x)为上一时刻t-Δt网格点x的空气密度;
空气漂移速度Δua的计算公式为:
Δua=a,totalΔt/a(-Δt,x)
其中,空气合力Fa,total为:
空气与润滑油之间的作用力Far为:
其中,gar为空气与润滑油之间相互作用的强度,wk为第k个离散速度方向的权重系数;
9.一种航空发动机轴承腔两相流仿真装置,应用于航空发动机轴承腔的几何模型,所述几何模型包括腔体旋转壁面,腔体静止壁面,润滑油进口、空气进口、润滑油出口和空气出口;其特征在于,所述装置包括:
网格划分单元,用于对航空发动机轴承腔的几何模型进行网格划分,得到离散后的笛卡尔网格;
设置单元,用于设置离散后的笛卡尔网格的计算域的初始条件和边界条件;
计算单元,用于根据设置的初始条件和边界条件,对航空发动机轴承腔的几何模型进行流场仿真计算,得到当前时刻的每个网格点的混合流场的物理量分布。
10.一种电子设备,其特征在于,包括:存储器、处理器和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8任一项所述的方法。
Priority Applications (1)
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CN202310158546.9A CN116108566A (zh) | 2023-02-20 | 2023-02-20 | 一种航空发动机轴承腔两相流仿真方法及装置 |
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CN (1) | CN116108566A (zh) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116127611A (zh) * | 2023-04-13 | 2023-05-16 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种水下航行器动态仿真方法 |
CN116522740A (zh) * | 2023-06-30 | 2023-08-01 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种发动机喷嘴的油气界面捕捉方法、装置、设备及介质 |
CN116842869A (zh) * | 2023-07-03 | 2023-10-03 | 广东工业大学 | 一种环下润滑收油过程的仿真方法 |
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2023
- 2023-02-20 CN CN202310158546.9A patent/CN116108566A/zh active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN116522740A (zh) * | 2023-06-30 | 2023-08-01 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种发动机喷嘴的油气界面捕捉方法、装置、设备及介质 |
CN116522740B (zh) * | 2023-06-30 | 2023-09-05 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种发动机喷嘴的油气界面捕捉方法、装置、设备及介质 |
CN116842869A (zh) * | 2023-07-03 | 2023-10-03 | 广东工业大学 | 一种环下润滑收油过程的仿真方法 |
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