旋转吧，齿轮箱！颠覆传统的流固耦合仿真工业应用初探之齿轮甩油
以下文章来源于shonDy粒子法流体仿真 ，作者王溪
高速旋转的齿轮箱里齿轮带动润滑油的流动属于固定运动刚体与流体的相互作用问题。在齿轮箱的设计中，润滑油的运动是核心问题之一。
为什么需要模拟齿轮甩油？
齿轮箱内润滑油的液位是一个非常敏感的参数，与齿轮的工作转速和空间布置都有关系。
如果齿轮液位过低，会导致齿轮润滑不足，引起齿轮过热和寿命缩短。
如果齿轮液位过高，则会导致系统的粘性阻力太大，影响效率。
另外，工作条件下润滑油在箱内的流动分布也会影响润滑性能。
如何研究齿轮甩油问题？
作为一个工程问题，自然是实验和模拟两手都要抓。
1.实验研究
对于齿轮箱的甩油实验，可以采用PIV的测量方法获得润滑油的速度场。这种方法可以准确获得设计原型的流场。但是实验方法存在费用高，周期长，设计改进需要重新实验。对于复杂的齿轮箱，很难做到可视化研究。
齿轮箱转速与液位对甩油的影响（图片来源于Erwin Adi Hartono, et al. Chalmers University of Technology.）
2.数值模拟
成熟的数值模拟技术无疑能够加速齿轮箱产品的设计改进。但是模拟方法也有很多种。传统的方法依赖于网格技术，尤其在齿轮啮合的过程中，可能会出现网格体积过小或aspect ratio过大的问题，从而影响到计算的收敛。因此，采用传统的方法需要在网格生成上花费大量的精力。另外一种新的方法就是本文所使用的粒子法，导入齿轮及外壳模型，给定齿轮转速，定义润滑油初始区域后即可开始计算。可以获得高速转动下齿轮箱内润滑油的流场以及润滑油的粘性阻力力矩。
一个典型齿轮箱的模拟
本文所演示的齿轮箱计算的几何素材来源于互联网，已获得CAD文件作者的授权同意。
图片来源于grabcad.com
CAD模型中与流固耦合计算不相关的零件可以移除，例如螺丝，螺帽和垫片等与润滑油不接触的小零件。这样的简化，不会影响计算的结果，能够提高模型初始化的速度。
速度场分布
自由界面重构后的可视化展示
粒子法在该问题上的优势和局限
1.只需要对齿轮箱的CAD模型进行简单的处理，去掉些无关紧要的部件，就可以导入粒子法求解器进行计算。无需复杂的网格划分。快速模拟，优化设计。
2.一般情况下，不考虑气相的运动，润滑油被当作单相液体分析，这里不可能模拟空气摩擦，非接触的相互作用与粒子影响半径有关，某文章曲解了计算结果并误导了读者。当然，我们的shonDy求解器是支持多相流计算的，如果有需要，也可以尝试箱内气液两相模拟。
3.有业内人士咨询过我油膜的问题。如果单独分析某个齿上的油膜分布和运动，例如润滑油喷淋到单个齿轮上的局部流动，这个是可以模拟分析的。但是对于齿轮箱的整体仿真模拟，计算尺度暂时无法细到分析油膜的行为。
编外曲
中兴事件炒得沸沸扬扬，让盛世党认清了中美尖端技术差距，一个国家并不是出了一个共享单车或一款手机游戏就跨入了发达国家水平。作为核心竞争力，高端制造业的差距需要从基础的问题上一点一滴地填补。一定要摆脱中国人常有的“差不多就行了”的思想，细节决定成败。在一个外国同事眼里，中国是“One generation was missing!”。但是80和90一代让世界重新认识了中国，相信很快将彻底改变中国的工业面貌。
