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http://repositoriodigital.ipn.mx/handle/123456789/13141| Título : | Análisis y validación por volumen finito de los coeficientes rotodinámicos de rigidez de una chumacera corta con y sin presurización |
| Autor : | DR.GÓMEZ MANCILLA, JULIO C. ING. AVALOS GAUNA, JAIME |
| Palabras clave : | coeficientes rotodinámicos de rigidez chumacera |
| Fecha de publicación : | 30-jun-2011 |
| Resumen : | Understanding the behavior of fluids that interact with solid structures, like the design of hydrodynamic bearings involves the study of mathematical models and experimental complex, this fact is of fundamental importance in many designs of mechanical systems. In modern literature, has been analyzing the behavior of the fluid in this type of bearings for the different cases, either the infinitely short bearing (also called Fred Ocvirk solution), or in the case of the infinitely long bearing (given by Sommerfeld equation). Studies (theoretical and experimental) of the behavior of the lubricant film in the bearing are usually resolved by the Reynolds equation, this is the simplified solution of the Navier-Stokes equations and this approach ignores the complexity of the flow and makes assumptions like the bearing must meet the conditions \] ^ < ` abb and the modified Reynolds number is less than 1, which indicates a stable laminar flow. Computational Fluid Dynamics (CFD) like numerical modeling tool allows a better idea about the behavior of the fluid phenomena by it solving the Navier-Stokes equations, the mass equation and energy balance. This Work uses the Reynolds and Navier-Stokes equations, the hydrodynamic lubrication theory and finite volume methodology with the software ANSYS-CFX simulation. The work analysis of this research is seen as fluid-structure with a shaft-bearing model designed computationally to study the behavior of the oil film inside of a hydrodynamic bearing with/without pressurization using the finite volume method; the software used simulate and analyze the transient behavior in three dimensions, which shows the dynamic behavior of short bearings under different pressurizations to obtain the variables mean such as fluid velocity, pressure the position of the shaft, etc. The effects of pressurization and the Locus of the shaft are measured; this differences of pressurization changes and differences of the equilibrium point to change the point of cavitation, can be made the innovative aspect of this research, where the complexity the equations involved and the methodology of programming to simulate can be a better study of this engineering problem the locus of equilibrium pressurized analyzing the various cases of pressurization of the lubricant in the first ports located at 90 degrees. Chapter 1, refers to introduction of Rotodynamic, , the progress of this discipline in Mexico, also a short introduction to the theory of lubrication (better known as Tribology) and a brief meaning of the aspects or physical phenomena involved, as well as to provide an overview of common problems that exist in hydrodynamic bearings. In Chapter 2 introduces the reader to all nomenclature, the governing equations, the analytical procedures and mathematical models for hydrodynamic bearings, all the equations discussed in this chapter were used to later chapters for the CFD study. Chapter 3 presents a brief introduction to what is the Computational Fluid Dynamics, arises how to create the geometry and the meshing bearing model to research, set the boundary conditions to which the simulated system is affected, we define the model physics and pre simulation process, is reviewed the problems that this involves the development of designs simulated fluid-structure type for numerical analysis and effected the computer simulation of the behavior of the fluid film in a hydrodynamic bearing with a ratio of ` c and dS fe = 508.8 without pressurization, where gravity provides the pressure drop required to deposit the lubricant on the clear radial between journal and bearing. Chapter 4 reviews the locus of equilibrium behavior from physical modeling in Chapter 3 for the case of the bearing with superior power is validated model where all the fluid structure of the simulation results are compared and validated with analysis of world-class researchers (such as those obtained in the laboratory of Mechanical Vibrations and Rotodynamic in Insituto Politecnico Nacional by Dr. Julio Cesar Gomez Mancilla) and comparing the equilibrium point with the international literature based on the Reynolds equation to validate and prove the accuracy of the correct application of the equations, boundary conditions and model the correct behavior. Chapter 5 uses the results obtained in Chapter 4 for the case where the power is increased lubricant 2, 6 and 10 times, we obtain the locus of equilibrium for such cases is pressurized and is derived from these points Rotodynamic Stiffness coefficients for cases with and without pressurization by a 5-point modeling and the theory of finite differences, in Chapter 6 discusses the conclusions drawn throughout this thesis and the same for all future jobs that can be obtained from such research. For understanding the content of this thesis work is required prior knowledge of the theory of lubrication, a good understanding of fluid mechanics and Rotodynamic, as well as good programming in ANSYS-CFX and Excel. |
| Descripción : | El entendimiento del comportamiento de los fluidos que interactúan con estructuras solidas, en este caso en el diseño de chumaceras de película fluida o chumaceras hidrodinámicas implica el estudio de modelos matemáticos y experimentales muy complejos; este hecho es de fundamental importancia en muchos diseños de sistemas mecánicos. En la literatura moderna, se ha hecho el análisis del comportamiento del fluido en este tipo de chumaceras para los diferentes casos, ya sea el caso de la chumacera infinitamente corta (también llamada solución de Ocvirk), o para el caso de la chumacera infinitamente larga (dada por la ecuación de Sommerfeld). Los estudios realizados hasta ahora (teóricos y experimentales) del comportamiento de la película lubricante dentro de la chumacera usualmente se resuelven mediante la ecuación de Reynolds, ya que esta es la solución simplificada de las ecuaciones de Navier-Stokes. Este tipo de aproximación no tiene en cuenta la complejidad del flujo ya que en la ecuación de Reynolds se toma en cuenta que la chumacera debe cumplir las condiciones de que \] ^ < ` abb y de que el número de Reynolds modificado es menor a 1, lo cual nos indica que es un flujo del tipo laminar estable. La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) como herramienta de modelado numérico permite obtener una visión más aproximada y realista del comportamiento de los fenómenos del fluido y la presión ejercida por el mismo, a través de la resolución de las ecuaciones de Navier–Stokes que se encuentran relacionadas con las ecuaciones de balance de materia y energía. Para este trabajo se utilizaran las ecuaciones de Reynolds (utilizadas en la teoría y literatura internacional), las ecuaciones de Navier- Stokes, así como las demás ecuaciones necesarias para la teoría de la lubricación hidrodinámica y la metodología del método del volumen finito (o FVM por sus siglas en ingles) empleado por el software comercial de simulación ANSYS-CFX. El análisis de este trabajo es considerado de tipo fluido-estructura ya que con un modelo muñónchumacera diseñado computacionalmente se estudia el comportamiento de la película de aceite que se aloja en el interior formado entre las paredes de dicha chumacera hidrodinámica corta y el muñón con una alimentación del lubricante con y sin presurización; Mediante el CFD se resolverán las ecuaciones diferenciales parciales no lineales con el FVM y así nos permitirá modelar, simular y analizar el comportamiento transitorio y tridimensional del lubricante por lo que se muestra el comportamiento dinámico de chumaceras cortas sometidas a distintos niveles de presurización. De esta forma, con esta herramienta se podrá obtener los valores medios y/o fluctuantes de variables como la velocidad del fluido, la presión ejercida entre la interacción solido-liquido y la posición del muñón. Los efectos de la presurización son medidos, se toma en cuenta el fenómeno de cavitación generado al cambio de presión del lubricante dentro del sistema fluido-estructura, así como también se analizan diferentes puntos de equilibrio localizados. Se expone diferencias de puntos de equilibrio al cambio de presurización, y diferencias del punto de equilibrio al cambio de densidad y viscosidad del lubricante. Estas variaciones se pueden hacer mediante el programa en CFD que es el aspecto novedoso e innovador de esta investigación, en donde por la complejidad involucrada de las ecuaciones y de las limitantes de programación se limita a simular y estudiar el locus de equilibrio del sistema presurizado analizando los diversos casos de presurización del lubricante en puertos ubicados a 90° (contrario a la línea de carga). En el Capitulo 1 se hace alusión al estado de arte de la rotodinámica, se proporciona una breve introducción a las generalidades de la Tribología y la teoría de la lubricación , los avances de esta disciplina RESUMEN SEPI ESIME Laboratorio de Vibraciones Mecánicas y Rotodinámica. Ing. Jaime Avalos Gauna XVI en México y un breve significado de los aspectos o fenómenos físicos que conlleva la disciplina de la Rotodinámica con la Tribología, así como se revisa a grandes rasgos los problemas más comunes que existen en las chumaceras hidrodinámicas. En el Capitulo 2 se introduce al lector a toda la nomenclatura, las ecuaciones gobernantes, los procedimientos para los análisis y los modelos matemáticos para las chumaceras hidrodinámicas; todas las ecuaciones que se analizan en este capítulo se emplearan posteriormente para los capítulos posteriores para el estudio en CFD de la chumacera corta en cuestión. En el Capitulo 3 se presenta una breve introducción a lo que es la Dinámica de Fluidos Computacional o mejor conocido como CFD (pos sus siglas en ingles), se plantea el modo de creación de la geometría y el mallado del modelo de chumacera analizada, se establecen las condiciones de frontera a las que estará afectado el sistema simulado, se define la física del modelo y el pre proceso de la simulación, se revisan los problemas que este implica a la elaboración de diseños simulados de tipo fluido-estructura para su análisis numérico y se efectuara la simulación computacional del comportamiento de la película de fluido dentro de una chumacera hidrodinámica de ¼ con una relación \] ^ de 508.8 sin presurización, donde la gravedad proporciona la caída de la presión necesaria para depositar el lubricante en el claro radial que existe entre muñón y chumacera. En el Capitulo 4 se revisa el comportamiento del locus de equilibrio a partir del modelado físico del Capítulo 3 para el caso de la chumacera con alimentación superior, se valida el modelo fluido estructura donde todos estos resultados obtenidos de la simulación son comparados y validados con los análisis de investigadores de talla mundial (como los obtenidos en el laboratorio de Vibraciones Mecánicas y Rotodinámica del Instituto Politécnico Nacional por el Dr. Julio Cesar Gómez Mancilla) y comparando el punto de equilibrio con la literatura internacional fundamentada en la ecuación de Reynolds para validar y acreditar la veracidad de la aplicación correcta de las ecuaciones, las condiciones de frontera y el comportamiento correcto del modelo. En el Capitulo 5 se utilizan los resultados obtenidos en el Capitulo 4 para el caso en el que se aumenta la alimentación del lubricante 2, 6 y 10 veces; se obtienen los locus de equilibrio para dichos casos presurizados y se obtiene a partir de esos puntos los coeficientes rotodinámicos de Rigidez para los casos con y sin presurización mediante un modelado de 5 puntos y por la teoría de diferencias finitas; En el Capitulo 6 se discute las conclusiones obtenidas a lo largo de este trabajo, así mismo todos los trabajos futuros que se pueden obtener de dicha investigación. Para el entendimiento del contenido de este trabajo de Tesis se requiere un conocimiento previo de la teoría de la lubricación, una buena comprensión de la mecánica de fluidos y Rotodinámica, así como de una buena programación en ANSYS- CFX y Excel. |
| URI : | http://www.repositoriodigital.ipn.mx/handle/123456789/13141 |
| Aparece en las colecciones: | Mediateca |
Ficheros en este ítem:
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| Tesis.pdf | Análisis y validación por volumen finito de los coeficientes rotodinámicos de rigidez de una chumacera corta con y sin presurización | 26.56 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |
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