一种转子-滑动轴承系统润滑流域动网格并行计算方法技术方案

一种转子‑滑动轴承系统润滑流域动网格并行计算方法，包括润滑流域前处理操作、并行模拟计算设置操作、结构化动网格计算操作、流场计算操作、后处理操作步骤；转子‑滑动轴承系统润滑流域动网格并行计算方法实现了在并行计算环境下，基于结构化动网格，高速转子‑滑动轴承系统的润滑流域的多核并行模拟，解决了原始的动网格程序在并行计算环境下由于缺少数据传递、汇总、导出功能而导致的无法适用于并行环境的问题，实现了对转子‑滑动轴承系统中转子轴心轨迹的准确高效模拟，克服了现有的计算方法模拟效率较低的弊端，能够在保证计算精度的同时提高计算效率，并对高速转子‑轴承系统进行稳定性预测。

【技术实现步骤摘要】
一种转子-滑动轴承系统润滑流域动网格并行计算方法
一种转子-滑动轴承系统润滑流域动网格并行计算方法，属于计算流体力学仿真模拟

技术介绍
计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)仿真模拟
中,串行计算只能依靠处理器中的一个线程进行计算，依靠串行计算的方法来进行计算导致计算效率低，且造成极大的计算资源的浪费。因此，随着计算流体力学仿真模拟技术的发展，采用并行技术已经成为提高CFD计算速度的必要手段。离心压缩机、汽轮机、燃气轮机等高速旋转机械在石油化工、动力工程等领域被广泛使用。该类机械具有运行速度高、工作功率大等特点，是整个生产装置的关键部分。若该类机械停机，生产装置无法正常运行，产品无法及时生产，造成巨大的经济损失。滑动轴承由于其具有承载能力好，摩擦功耗小，耐冲击性能好等优点，因此广泛应用于高速旋转式机械中，其性能的好坏不仅直接决定转子系统的工作寿命，而且关系到整个旋转机械的安全高效长周期运行。随着过程工业的发展，旋转机械逐渐向高速化、轻量化方向发展，使得转子-滑动轴承系统的稳定裕度不断受到挑战。因此，利用计算流体力学仿真模拟技术模拟转子-滑动轴承润滑流域对于预测系统的稳定性具有重要意义；目前，基于用户自定义的结构化动网格模型无法直接使用软件自带的并行程序，导致计算效率低下，严重制约了CFD技术在滑动轴承稳定性方面的研究与应用。借助动网格的方法实现，现有的动网格技术已经解决了轴承润滑流场的网格畸变较大的问题。因此，滑动轴承的瞬态流场计算需要同时考虑分区域并行计算和在并行计算条件下网格移动方法。在实现本专利技术的过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在以下问题：1、基于用户自定义的变流场动网格技术进行滑动轴承润滑流域计算过程中，只能进行单核计算，制约着流场的计算速度；2、并行计算过程中，流场中的网格节点更新计算无法在同一个时间步内进行；3、并行计算过程中，轴颈中心坐标无法准确获取，无法利用轴心轨迹的时域与频域变化进行快速的转子-滑动轴承系统的稳定性分析。经分析发现，出现上述问题的主要原因是由于：1、原始的用户自定义的动网格程序在每经过一个时间步都会控制节点移动更新动网格区域中的网格节点坐标，每个时间步中的网格节点坐标的位移的大小取决于滑动轴承流域中轴颈处非线性油膜力的大小，将原始的用户自定义的动网格程序应用并行计算的过程中，包括轴颈面在内的网格被分开成多个区域并分别映射至多个计算节点中进行计算，由于原始程序缺乏利用函数宏PRF_GRSUM实现全局数据求和，缺乏利用函数宏NODE_TO_HOST_REAL_N实现信息由计算节点向主节点的传递，若依然使用原始的用户自定义的动网格程序，各个计算节点各自计算，无法控制各个节点交换信息，无法对滑动轴承流域中轴颈处油膜压力信息进行通信并汇总，导致轴颈处非线性油膜压力信息无法汇总，直接导致了网格节点移动的位移无法计算，所以原始的用户自定义的动网格程序只能进行单核计算。2、由于原始的用户自定义的动网格程序应用并行计算的过程中不具有在并行条件下实现信息传递与信息汇总的功能，更新的流场信息无法及时汇总至一个计算节点(0号计算节点)进行计算，得不到整个流场区域中的轴颈处非线性油膜力，同时轴颈处非线性油膜力的准确获取是得到网格节点坐标位置的基础，无法得到非线性油膜力就无法在同一时间步中更新网格节点坐标。3、对于原始的用户自定义的动网格程序在单核串行的计算过程中，计算时没有主节点和计算节点区别，轴颈中心坐标的导出自然实现。但是对于并行计算来说，轴颈中心坐标的导出需要在主节点中进行，但是轴颈中心的坐标的计算是在计算节点中计算的，需要将轴颈中心坐标信息从计算节点传递到主节点。这时，由于并行计算过程中每个网格区域执行同样的没有主节点和计算节点之分的用户自定义的动网格程序，主节点无法识别正确的程序命令从而导致数据导出错误。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种转子-滑动轴承系统中润滑流域动网格并行计算技术。该技术网格更新适用于多核并行计算、具有准确的信息传递功能、可使动网格程序在不同节点区别化运行，具有数据汇总与正确导出的能力。为实现上述目的，本专利技术提出的技术方案为：一种基于结构化动网格的转子-滑动轴承系统润滑流域并行计算方法，包括润滑流域前处理操作、并行模拟计算设置操作、结构化动网格计算操作、流域计算操作、后处理操作步骤，包括：第一步，润滑流域前处理操作：S101建立研究对象为刚性圆柱形转子与刚性固定瓦圆柱形滑动轴承系统间隙润滑区域及润滑通路流道，将其定义为润滑流域，将滑动轴承与转子间隙流域定义为结构化动网格区域，简称动网格区域，将系统的进油孔、油楔的润滑通路流域定义为混合网格区域。S102建立转子-滑动轴承润滑流域网格离散模型，滑动轴承与转子间隙流域采用结构化六面体网格划分，进油孔、油楔的润滑通路流域采用混合网格划分。第二步，并行模拟计算设置操作：S201读取步骤S102中网格。利用计算流体力学软件在并行多核计算环境下读取网格离散模型；S202网格分区。利用并行分区算法根据计算节点的个数对离散模型区域分解并分别映射到各个计算节点；S203设置边界条件(Boundaryconditions)和单元区域条件(Cellzoneconditions)；S204设置计算条件与计算参数进行稳态计算，保存计算结果。第三步，结构化动网格计算操作：编译并加载基于并行计算环境的自定义程序文件，程序文件包括流场区域识别、数据记录、数据汇总、数据传递、数据写入操作。第四步，流场计算操作：更新计算条件，在并行计算环境下进行动网格区域内网格的移动与流场计算包括：S401开始；S402识别上一时间步轴心初始位置坐标；S403计算各分区轴颈面所受到的非线性油膜力；S404主节点接收并传递累加之后轴承轴颈面所受的非线性油膜力，输出文件；S405计算轴颈面移动加速度、速度及位移信息；S406更新网格节点坐标；若网格节点坐标已更新，进入步骤S407；S407记录计算时间并更新轴颈中心坐标；S408主节点接收轴颈中心坐标和计算时间信息，输出文件；S409流场计算；S410若计算时间步>设定计算时间步,计算结束；否则，返回步骤S402。第五步，后处理操作：将计算所得数据进行导入并分析，并得到轴心轨迹时域图与频域图。优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：第一步，润滑流域前处理操作中的S101中转子-滑动轴承系统为刚性圆柱形转子与刚性固定瓦圆柱形滑动轴承系统，所述的动网格区域可以实现在并行计算过程中，结构化六面体网格节点坐标根据转子动力学方程，网格节点更新方程，随瞬态计算的每一时间步更新。优选的，所述的转子-滑动轴承系统润滑流域结构化动网格并行计算方法，其特征是：所述的转子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于结构化动网格的转子-滑动轴承系统润滑流域并行计算方法，包括润滑流域前处理操作、并行模拟计算设置操作、结构化动网格计算操作、流域计算操作、后处理操作步骤，其特征是：/n第一步，润滑流域前处理操作：/nS101建立研究对象为刚性圆柱形转子与刚性固定瓦圆柱形滑动轴承系统间隙润滑区域及润滑通路流道，将其定义为润滑流域：将滑动轴承与转子间隙流域定义为结构化动网格区域，简称动网格区域，将系统的进油孔、油楔的润滑通路流域定义为混合网格区域。/nS102建立转子-滑动轴承润滑流域网格离散模型，所述动网格区域采用结构化六面体网格划分，所述混合网格区域采用混合网格划分；/n第二步，并行模拟计算设置操作：/nS201读取步骤S102中网格；利用计算流体力学软件在并行多核计算环境下读取网格离散模型；/nS202网格分区；利用并行分区算法根据计算节点的个数对离散模型区域分解并分别映射到各个计算节点；/nS203设置边界条件(Boundary conditions)和单元区域条件(Cell zoneconditions)；/nS204设置计算条件与计算参数进行稳态计算，保存计算结果；/n第三步，结构化动网格计算操作：/n编译并加载基于并行计算环境的自定义程序文件，程序文件包括流场区域识别、数据记录、数据汇总、数据传递、数据写入操作；/n第四步，流场计算操作：/n更新计算条件，在并行计算环境下进行动网格区域内网格的移动与流场计算包括：/nS401开始；/nS402识别上一时间步轴心初始位置坐标；/nS403计算各分区轴颈面所受到的非线性油膜力；/nS404主节点接收并传递累加之后轴承轴颈面所受的非线性油膜力，输出文件；/nS405计算轴颈面移动加速度、速度及位移信息；/nS406更新网格节点坐标；若网格节点坐标已更新，进入步骤S407；/nS407记录计算时间并更新轴颈中心坐标；/nS408主节点接收轴颈中心坐标和计算时间信息，输出文件；/nS409流场计算；/nS410若计算时间步>设定计算时间步，计算结束；否则，返回步骤S402；/n第五步，后处理操作：/n将计算所得数据进行导入并分析，并得到轴心轨迹时域图与频域图。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于结构化动网格的转子-滑动轴承系统润滑流域并行计算方法，包括润滑流域前处理操作、并行模拟计算设置操作、结构化动网格计算操作、流域计算操作、后处理操作步骤，其特征是：
第一步，润滑流域前处理操作：
S101建立研究对象为刚性圆柱形转子与刚性固定瓦圆柱形滑动轴承系统间隙润滑区域及润滑通路流道，将其定义为润滑流域：将滑动轴承与转子间隙流域定义为结构化动网格区域，简称动网格区域，将系统的进油孔、油楔的润滑通路流域定义为混合网格区域。
S102建立转子-滑动轴承润滑流域网格离散模型，所述动网格区域采用结构化六面体网格划分，所述混合网格区域采用混合网格划分；
第二步，并行模拟计算设置操作：
S201读取步骤S102中网格；利用计算流体力学软件在并行多核计算环境下读取网格离散模型；
S202网格分区；利用并行分区算法根据计算节点的个数对离散模型区域分解并分别映射到各个计算节点；
S203设置边界条件(Boundaryconditions)和单元区域条件(Cellzoneconditions)；
S204设置计算条件与计算参数进行稳态计算，保存计算结果；
第三步，结构化动网格计算操作：
编译并加载基于并行计算环境的自定义程序文件，程序文件包括流场区域识别、数据记录、数据汇总、数据传递、数据写入操作；
第四步，流场计算操作：
更新计算条件，在并行计算环境下进行动网格区域内网格的移动与流场计算包括：
S401开始；
S402识别上一时间步轴心初始位置坐标；
S403计算各分区轴颈面所受到的非线性油膜力；
S404主节点接收并传递累加之后轴承轴颈面所受的非线性油膜力，输出文件；
S405计算轴颈面移动加速度、速度及位移信息；
S406更新网格节点坐标；若网格节点坐标已更新，进入步骤S407；
S407记录计算时间并更新轴颈中心坐标；
S408主节点接收轴颈中心坐标和计算时间信息，输出文件；
S409流场计算；
S410若计算时间步>设定计算时间步，计算结束；否则，返回步骤S402；
第五步，后处理操作：
将计算所得数据进行导入并分析，并得到轴心轨迹时域图与频域图。


2.如权利要求1所述的方法，其特征是：第一步，润滑流域前处理操作中的S101中，所述的动网格区域可以实现在并行计算过程中，结构化六面体网格节点坐标根据转子动力学方程和网格节点更新方程，随瞬态计算的每一时间步更新。


3.如权利要求2所述的方法，其特征是：所述的转子动力学方程如下：



其中，M为转子质量，ax、ay分别为轴颈x方向和y方向的加速度，Max、May分别为转子质量与轴颈x方向和y方向加速度的乘积，Fx、Fy为非线性油膜力，e为转子偏心距，N为转子速度，t为时间，g为重力加速度；
所述的网格节点更新方程如下：



其中，x，y代表网格坐标位置，下标j，p分别为轴颈中心和任意网格节点的位置，上标t，t+1分别表示当前和下一时间步，为下一时间步的网格节点x坐标，为下一时间步的网格节点y坐标，为当前时间步的网格节点的x坐标，为当前时间步的网格节点的y坐标，为下一时间步的轴颈中心x坐标，为下一时间步的轴颈中心y坐标，为当前时间步的轴颈中心x坐标，为当前时间步的轴颈中心y坐标，Ntotal表示动网格区域中总网格层数，Ni表示网格节点所处网格层数，最外层网格层数为1，向轴颈方向依次递增。


4.如权利要求1所述的方法，其特征是：第二步，并行模拟计算设置操作中S201所述的并行环境为基于MPI(MessagePassingInterface，消息传递接口)并行框架的计算环境。


5.如权利要求1所述的方法，其特征是：第二步，并行模拟计算设...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，刘清磊，唐心昊，李斌，许伟伟，刘兆增，王振波，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37