粒子法によるマルチスケール・マルチフィジックス弾性流体潤滑シミュレータの開発

使用粒子法开发多尺度多物理场弹流润滑模拟器

基本信息

批准号：
21K03847
负责人：
根岸秀世
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Japan Aerospace EXploration Agency
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、複雑形状や剛体運動の扱いが容易で固体/液体/気体を統一的な計算原理で扱うことが可能な粒子法を採用し、転がり軸受内のマルチスケール・マルチフィジックスを考慮可能な弾性流体潤滑シミュレータを世界に先駆けて開発する。これにより軸受内全体の潤滑剤挙動を把握・制御し、省資源・省エネ化に資する軸受設計・運用方法の提案を実現する。本年度は当初計画通り以下の2サブテーマに注力して研究を進めた。①数値計算手法の構築(1) 剛体-流体連成計算手法の改良：軸受内の転動体等機構部品の6自由度運動と潤滑剤挙動の相互干渉を考慮可能とするため、潤滑面が剛体面の場合の流体-剛体連成解析手法を再構築した。従来は流体計算にMPS法を使用していたが、角運動量保存が満たされない問題があった。そこで運動量保存、角運動量保存、熱力学的第二法則等の物理法則を満たすMoving Particle Hydrodynamics method（MPH法）を新たに流体計算に採用した。剛体計算には回転運動方程式と剛体姿勢を表現するクオータニオンの時間発展式を採用する形は踏襲し、従来のPassively Moving Solid（PMS）モデルに基づく流体-剛体連成解析手法を再構築した。転がり円筒を使った流体潤滑実験を対象とした検証解析を改めて実施し、転がり円筒の停止過程を定量的に再現した。②物理数学モデルの構築(1) 負圧計算の実現：軸受内では摺動部下流の拡大流路形状において周囲圧力より圧力が低下する負圧が発生し、その程度が大きいとキャビテーションが発生する場合がある。本年度は、粒子法が従来苦手とする負圧の計算を実現した。具体的には、前述のMPH法を採用し、Two-potential表面張力モデルを導入することで実現した。構築した手法はくさび膜および絞り膜の基礎検証問題で定量的に負圧を計算できることを確認した。

在这项研究中，我们采用了可以轻松处理复杂形状和刚体运动的粒子方法，并且可以使用统一的计算原理处理固体、液体和气体，并且可以考虑滚动轴承内部的多尺度和多物理场。第一个弹流动力润滑模拟器。这使我们能够了解和控制整个轴承中润滑剂的行为，并提出有助于节省资源和能源的轴承设计和操作方法。今年，按照原计划，我们的研究重点是以下两个子主题。 ①数值计算方法的建立 (1)刚体-流体相互作用计算方法的改进：为了考虑轴承中滚动体等机械零件的六自由度运动与轴承座之间的相互干扰。根据润滑剂的行为，润滑表面是刚体，我们重建了表面的流体-刚体相互作用分析方法。传统的流体计算采用MPS法，但存在不满足角动量守恒的问题。因此，我们新采用了满足动量守恒、角动量守恒、热力学第二定律等物理定律的移动粒子流体动力学方法（MPH方法）进行流体计算。对于刚体计算，我们保留了运动的旋转方程和表达刚体姿态的四元数时间演化公式，并在传统的被动移动固体（PMS）模型的基础上重建了流-刚体相互作用分析方法。我们对使用滚动油缸的流体润滑实验进行了另一验证分析，定量再现了滚动油缸的停止过程。 ②物理数学模型的构建 (1)负压计算的实现：在轴承内滑动件下游的扩张流道中产生低于环境压力的负压，若负压程度为大时，会有发生气蚀的情况。今年，我们成功计算了负压，这在传统上使用粒子法是很难做到的。具体来说，这是通过采用上述MPH方法并引入二势表面张力模型来实现的。经证实，所开发的方法可以利用楔形膜和隔膜膜的基本验证问题定量计算负压。