Методология численного анализа и математическое моделирование тепловых и гидродинамических процессов в узлах жидкостного трения судовых энергетических установок

• Автор: Цыганков, Александр Васильевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 302 с.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМНОЙ ОБЛАСТИ

1.1. Проблемы гидродинамической теории смазки и методов моделирования физических процессов в смазочных плнках

1.2. Модели режима частичной смазки

1.3. Основные результаты исследования проблемной области.

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СМАЗОЧНЫХ ПЛЕНКАХ

2.1 Физические характеристики смазочных жидкостей

2.2. Уравнения движения жидкости в смазочной пленке

2.3. Уравнение баланса энергии в смазочной пленке

2.4. Упругие деформации граничных поверхностей пленки

2.5. Геометрия смазочной пленки

2.6. Моделирование граничных поверхностей пленки

2.7. Моделирование течения смазки с учстомшероховатости граничных поверхностей пленки
2.8. Определение параметров контактного взаимодействия шероховатых поверхностей
2.9. Интегральные характеристики смазочной пленки
2 Основные результаты
3. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ СОПРЯЖЕННОЙ
ЗАДАЧИ И СТРУКТУРА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА
3.1. Методы решения разностных аналогов уравнений
баланса энергии и движения смазки
3.2. Алгоритм решения сопряженной задачи
3.3. Структура программного комплекса
3.4. Основные результаты
4.0ЦЕНКА АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УПЛОТНЕНИЙ С ПЛАВАЮЩИМИ КОЛЬЦАМИ.
4.1. Принцип работы уплотнения с плавающими кольцами
4.2. Описание экспериментальной установки
4.3. Объекты исследования
4.4. Измерение динамических характеристик плавающего
кольца и уплотняемого вала
4.5. Автоматизированная система регистрации траекторий движения плавающих колец и уплотняемого вала
4.6. Измерение давления уплотняющего масла
4.7. Измерение температур
4.8. Измерение расхода уплотняющего масла
4.9. Измерение скорости вращения уплотняемого вала
4 Измерение геометрических размеров вала и плавающего кольца
4 Методика обработки экспериментальных данных
4 Погрешности измерений
4 Сопоставление результатов расчетных и экспериментальных исследований уплотнений с плавающими кольцами
4 Основные результаты
5. РАССЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ, ТЕПЛОВЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В СМАЗОЧНОЙ ПЛЕНКЕ ПЛОСКОЙ ОПОРЫ
5.1. Геометрия смазочной пленки.
5.2. Упругие деформации граничной поверхности пленки
5.3. Температура подачи смазки и теплоотвод от
смазочной пленки
5.4. Результаты расчета контактного взаимодействия шероховатых поверхностей
5.5. Результаты расчета коэффициента расхода гидродинамической смазки с учетом шероховатости граничных поверхностей пленки
5.6. Основные результаты
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Объектом исследований Л. В. Зуева являются уплотнения с плавающими кольцами валов центробежных компрессоров. В работах ,,,,,,,, приведены результаты обширных расчетнотеоретических и экспериментальных исследований статических и динамических характеристик плавающих колец. Представлены физические и математические модели процессов при различных уплотняемых давлениях, на основе которых получено совместное решение задач гидродинамики смазочного слоя, теплового баланса в смазке в условиях конвективного и кондуктивного теплообмена, теплопроводности, температурной и силовой деформации плавающих колец и вала. Модели позволяют учитывать изменение теплофизических свойств уплотняющего масла в зависимости от его температуры и давления. Подробно рассмотрены процессы динамики уплотнений и трения на торце плавающих колец. Экспериментальные исследования показали, что на характеристики внутренних плавающих колец существенное влияние оказывает кондуктивный теплообмен в смазочном слое. В смазочной пленке наружных плавающих колец преобладает конвективный теплообмен. Температурное поле смазки в общем случае является трехмерным и на него существенное влияние оказывает теплопроводность плавающих колец. Выявлено, что вследствие силовых и температурных деформаций зазор между кольцами и валом имеет форму конической щели, изменение формы зазора начинает сказываться на характеристиках уплотнения при давлениях выше МПа. Трение между плавающим кольцом и корпусом имеет иолужидкостный характер. При удельных давлениях на торцовом буртике более 7 МПа кривая изменения гидродинамического давления в торцовом зазоре становится вогнутой и наблюдается постепенный переход к граничному трению. Выполненные В. А. Максимовым обширные теоретические и экспериментальные исследования подшипников и уплотнений жидкостного трения турбомашин , также показывают, что в этих узлах происходят взаимосвязанные гидродинамические тепловые и деформационные процессы, которые должны быть учтены при разработке методик расчета узлов трения. Увеличение быстродействия и объема оперативной памяти вычислительных машин стало причиной перехода от аналитических к численным методам решения сопряженных задач, возникающих при расчете узлов трения. Выбор метода решения определяется прежде всего размером системы и техническими возможностями используемой ЭВМ. Так, в работах 5,,5 решение разностного аналога уравнения Рейнольдса проводится итерационным методом верхней релаксации, который представляет собой обобщение процедуры Зейделя с ускорением сходимости. Итерационные методы не требуют большого объема памяти, поскольку алгоритмы этих методов не порождают новых ненулевых элементов и не изменяют структуру матриц, но скорость сходимости итерационного процесса в значительной мере определяется начальным вектором решения, выбор которого не всегда очевиден. Еще одним недостатком итерационных схем является их плохая сходимость при плохой обусловленности матрицы. Причины плохой обусловленности различны, в частности это может быть следствием резкого изменения формы смазочной пленки или шага разностной сетки. Матрицы СЛАУ, аппроксимирующих исходные дифференциальные уравнения на разностной сетке, имеют редко заполненную диагональную структуру. Для решения таких систем эффективны прямые методы, обеспечивающие получение решения за конечное, заранее известное количество арифметических действий при требованиях к памяти значительно меньших, чем у методов, которые не используют свойство редкой заполнености. Такой подход к решению уравнений Рейнольдса и теплового бапанса использован в работах 3,,,2. К преимуществу прямых методов можно отнести то, что при итерационном уточнении границы смазочного слоя может быть построен алгоритм, в котором используется треугольная матрица, сформированная на предыдущем шаге, и преобразуется только часть исходной матрицы. Необходимо отметить, что методы и алгоритмы численного решения разреженных СЛАУ всесторонне апробированы и широко используются при решении задач теории упругости методом конечных элементов ,0,5,.