本發(fā)明屬于流體力學(xué)，具體涉及一種結(jié)合氣體雷諾方程及可壓縮 ns方程的流場計算方法的設(shè)計。

背景技術(shù)：

1、涉及到接觸問題的流動現(xiàn)象，在現(xiàn)實的工程中時常遇到。例如彈性橡膠輪胎在地面的滾動，運動物體撞擊瞬間接觸導(dǎo)致的氣流，齒輪接觸面之間的潤滑流動等。

2、在數(shù)值模擬中，有時可以忽略縫隙，將接觸面近似完全緊密接觸。但是在一些情況下，還是需要考慮縫隙之中的流動，例如原本接觸的兩個物體在流體中的分離。如果忽略縫隙，就無法得到縫隙中的流體壓強，導(dǎo)致無法實現(xiàn)表面壓強平衡，使得兩個物體在接觸面發(fā)生因真空導(dǎo)致的相互吸引，無法自然分離。

3、若利用傳統(tǒng)的方法，對于無法忽略的縫隙，在數(shù)值模擬時將縫隙處理為一個微小厚度的區(qū)域，在其中劃分足夠的網(wǎng)格，來模擬縫隙中的流動，由此獲得接觸縫隙中的壓強。但是該方法需要繪制縫隙網(wǎng)格，且縫隙中網(wǎng)格尺度極小，和外部網(wǎng)格之間的尺度差別較大，造成計算困難。若要模擬接觸物體之間的相對運動，例如在縫隙距離范圍變化劇烈時需要考慮采用網(wǎng)格重繪技術(shù)，在保留了上述困難的同時，還進一步增加了復(fù)雜性。另一種方法是采用重疊網(wǎng)格技術(shù)。在這種情況下，兩固體的外場網(wǎng)格屬于兩個獨立的網(wǎng)格，并且這兩個網(wǎng)格在縫隙內(nèi)部重疊。而重疊網(wǎng)格方法在處理縫隙情況下對網(wǎng)格生成的尺度要求很高，這同時提升了計算的復(fù)雜度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有方法在微小厚度內(nèi)進行網(wǎng)格劃分、重繪困難，以及由于與外部網(wǎng)格尺度差別巨大導(dǎo)致的流場計算復(fù)雜度高的問題，提出了一種結(jié)合氣體雷諾方程及可壓縮 ns方程的流場計算方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種結(jié)合氣體雷諾方程及可壓縮 ns方程的流場計算方法，包括以下步驟：

3、s1.對整個流場生成直角自適應(yīng)網(wǎng)格，所述直角自適應(yīng)網(wǎng)格的生成基于相互接觸的物體 a和物體 b的位置；

4、s2.基于嵌入邊界法，在直角自適應(yīng)網(wǎng)格中構(gòu)造離散的曲面，并在離散單元處計算縫隙的厚度；

5、s3.利用 ns方程計算縫隙外部流場；

6、s4.根據(jù)離散單元處縫隙的厚度利用氣體雷諾方程計算縫隙內(nèi)部流場；

7、s5.對縫隙外部流場和縫隙內(nèi)部流場進行耦合迭代，直至縫隙外部流場和縫隙內(nèi)部流場的耦合結(jié)果滿足收斂條件；

8、s6.進行下一個時間步的計算，直至達到預(yù)設(shè)的時間步，完成流場計算，若在計算的過程中物體 a和物體 b發(fā)生運動，則需重復(fù)步驟s1至步驟s4，直至完成所有時間步的計算。

9、本發(fā)明的有益效果是：

10、1.本發(fā)明中采用氣體雷諾方程和 ns方程耦合求解含接觸面的氣體流動數(shù)值模擬，具有很好的靈活性。

11、2.本發(fā)明中采用直角自適應(yīng)網(wǎng)格結(jié)合嵌入邊界法能夠有效構(gòu)造縫隙兩側(cè)壁面，避免間隙內(nèi)的貼體網(wǎng)格生成，可大大減小網(wǎng)格生成的復(fù)雜度。

12、3.本發(fā)明中利用嵌入邊界法構(gòu)造出縫隙兩側(cè)壁面后可直接計算出各處間隙的厚度，之后直接帶入離散的雷諾方程進行求解。

13、作為優(yōu)選，步驟s1中所述對整個流場生成直角自適應(yīng)網(wǎng)格過程中，在縫隙曲率大于預(yù)設(shè)閾值處進行網(wǎng)格加密。

14、上述優(yōu)選方案的有益效果是：

15、在縫隙曲率較大的位置進行網(wǎng)格加密，增加了壁面附近流場的計算精度，同時可以更準確地計算縫隙中離散單元處的厚度。

16、作為優(yōu)選，所述步驟s1具體包括以下步驟：

17、s11.定義相互接觸的物體 a和物體 b；

18、s12.對與物體 a和物體 b表面相交的直角單元 c進行標記，在縫隙曲率大于預(yù)設(shè)閾值處進行網(wǎng)格加密，并指定網(wǎng)格加密的最大水平；

19、s13.根據(jù)所設(shè)定的網(wǎng)格加密的最大水平，設(shè)定各坐標軸方向的基礎(chǔ)網(wǎng)格數(shù)，并利用插值法生成基礎(chǔ)網(wǎng)格；

20、s14.對基礎(chǔ)網(wǎng)格進行網(wǎng)格細化，生成直角自適應(yīng)網(wǎng)格；

21、所述網(wǎng)格細化具體為：用一個由個單元組成的細化塊來替換或覆蓋單個粗單元，其中， r表示細化因子， d表示網(wǎng)格加密水平。

22、上述優(yōu)選方案的有益效果是：

23、通過生成直角自適應(yīng)網(wǎng)格，避免了在微小厚度內(nèi)進行網(wǎng)格劃分以及網(wǎng)格重繪。

24、作為優(yōu)選，所述步驟s2具體包括以下步驟：

25、s21.基于嵌入邊界法，對直角自適應(yīng)網(wǎng)格進行切割，得到切割的單元；

26、s22.對所有的直角單元 c進行分類，并確定縫隙內(nèi)部單元 ci和縫隙邊緣的單元 cb；

27、s23.計算縫隙邊緣的單元 cb和物體 a表面與物體 b表面的切割斷面，作為縫隙外部場和縫隙內(nèi)部場之間的界面；

28、s24.根據(jù)切割的單元，利用離散的多個切割面對物體 a和物體 b的外形進行近似處理，并計算得到各離散單元處縫隙的厚度。

29、上述優(yōu)選方案的有益效果是：

30、采用直角自適應(yīng)網(wǎng)格結(jié)合嵌入邊界法能夠有效構(gòu)造縫隙兩側(cè)壁面，避免了間隙內(nèi)的貼體網(wǎng)格生成，大大減小了網(wǎng)格生成的復(fù)雜度。

31、作為優(yōu)選，所述步驟s24具體包括以下步驟：

32、s241.計算縫隙內(nèi)部單元 ci與物體 a的曲面或物體 b的曲面的切割網(wǎng)格，構(gòu)成縫隙內(nèi)部網(wǎng)格；

33、s242.基于縫隙內(nèi)部單元 ci，計算出各縫隙內(nèi)部單元處物體 a表面和物體 b表面之間的法向距離，作為縫隙的厚度；

34、s243.根據(jù)縫隙內(nèi)部網(wǎng)格，構(gòu)建縫隙內(nèi)部的二維曲面網(wǎng)格，并在各個離散點處設(shè)置縫隙的厚度數(shù)據(jù)。

35、上述優(yōu)選方案的有益效果是：

36、利用嵌入邊界法構(gòu)造出縫隙兩側(cè)壁面后可直接計算出各處間隙的厚度，之后直接帶入離散的雷諾方程進行求解。

37、作為優(yōu)選，所述步驟s3具體包括以下步驟：

38、s31.設(shè)置外邊界的邊界條件；

39、s32.利用嵌入邊界法對縫隙外部的被切割的單元施加邊界條件；

40、s33.根據(jù)施加的邊界條件，利用 ns方程進行縫隙外部流場的計算。

41、上述優(yōu)選方案的有益效果是：

42、結(jié)合邊界嵌入法來施加縫隙外部的邊界條件，并利用 ns方程進行縫隙外部流場的計算，大大簡化了求解難度并且提高了求解效率。

43、作為優(yōu)選，所述步驟s4具體包括以下步驟：

44、s41.在直角單元網(wǎng)格中，標記縫隙內(nèi)部的單元為近壁單元，并根據(jù)壁面方向定義近壁單元的坐標系；

45、s42.設(shè)置縫隙內(nèi)部雷諾方程的邊界條件；

46、s43.根據(jù)邊界條件和離散單元處縫隙的厚度，對二維重構(gòu)出來的縫隙曲面展開的平面求解雷諾方程，得到縫隙內(nèi)部流場，所述雷諾方程為基于近壁單元坐標系的雷諾方程。

47、作為優(yōu)選，步驟s43中所述雷諾方程的公式為：

48、

49、其中，為氣體壓力；為氣體密度；為縫隙厚度；為時間；為流體動力黏度系數(shù)；為近壁單元坐標系的坐標；為近壁單元坐標系的坐標；為物體 a與物體 b在方向的運動速度，，為物體 a與物體 b表面在方向的運動速度分量；為物體 a與物體 b在方向的運動速度，，為物體 a與物體 b表面在方向的運動速度分量。

50、上述優(yōu)選方案的有益效果是：

51、采用二維潤滑方程的雷諾方程來描述縫隙內(nèi)部的流動問題，有效避免了在厚度方向的離散，大大簡化了求解難度并且提高了求解效率。