The Reynolds equation, incorporating Elrods cavitation algorithm, is discretized on a rectangular grid in computational space through coordinate mapping in order to accurately analyze a herringbone grooved journal bearing of a spindle motor in a computer hard disk drive. The pressure distribution and cavitation area are determined by using the finite volume method. Predicted results are compared to experimental data of previous researchers. It was found that positive pressure is developed within the converging section of the bearing and that a cavity occurs in the diverging section. Cavitation has been neglected in the previous analysis of the herringbone grooved bearing. Load capacity and bearing torque are increased due to the increased of eccentricity and L/D and the decrease of the grooved width ratio. The maximum load capacity was found to occur at a groove angle of 30 degrees while bearing torque remains constant due to the variation of the groove angle. The cavitation region is significantly decreased with the inclusion of herringbone grooves. However, the region increases with the increase of the eccentricity, L/D, groove angle and the rotational speed and the decrease of the grooved width ratio.
The influence of round embossed surface on slider bearing characteristics and its load carrying capacity is discussed for thin film effect of embossed slider bearing. For the numerical computation of lubrication parameters such as pressure, load capacity and shear stress that are normalized and a Reynolds equation is used for the analysis of embossed slider bearing characteristics. For this purpose, the finite difference method of central difference scheme is used in this study. In a slider bearing with embossed form, several simulation parameters such as pressure, load capacity and shear stress of the bearing can be obtained according to independent parameters such as the slope of the slider bearing and number of embossing in the upper slider. Also this results can be summarized and be stored in sequential data file for latter analysis. After all, their distribution of the pressure and shear stress parameters can be displayed and be analyzed easily by using the developed program with matlab GUI technique. The independent parameters such as a number of embossing and a slope of the embossed surface slider are used for discussing simulation parameters of pressure distribution, shear stress and load carrying capacity of the round embossing. These study results reported in this paper should be applied to the other shaped slider bearing with a rectangular embossed surface or rectangular waved surface.
Air bearing is characterized by its extremely low friction and cleanliness such that it is widely used especially for spindles with ultra-high rotational speed at several tens of thousands rpm. This paper contributes to design of a static radial air bearing suggesting numerical analysis to anticipate its performances. The numerical analysis is an iteration method based on finite difference formulation of the Reynolds equation. A prototype air bearing has been designed and manufactured. Its load capacity has been measured and compared with the numerical solutions. The result shows good consistency between the experiment and theory, which informs that the numerical analysis can be used as an useful tool to anticipate the performances. Effects of design variables on the bearing performance have been examined by Taguchi's experimental methods using orthogonal array. Number of holes for supplying pressurized air, clearance between shaft and bearing, the hole diameter and bearing length are chosen for the design variables. The result shows that the clearance and the bearing length are the most influential variables while the others can be considered as almost negligible.
The role of viscosity index improver's(Ⅶ) additives for modem engine lubrication is complex. Under the condition of atmosphere or low shear rate, the characteristics of Ⅶ added lubricant is verified and quoted frequently for mathematical model of lubricant behavior. However, recent research shows that added lubricant has the characteristics of shear thinning at high shear rate condition although it performs well enough over the whole range of working temperature. At high shear rate, they show significant decrease of apparent viscosity irrespective of temperature. Many experimental researches verify that Ⅶ added lubricant shows boundary film layer formation on the solid surface as well as shear thinning effect by its polymeric molecular characteristics. The intend of our research is to verify the effects of Ⅶ from the viewpoint of continuum mechanics, because conventional Reynolds'equation with only pressure-viscosity relation cannot fully predict the lubricant behavior under the Ⅶ added condition. In these aspects, Reynolds'equation of Newtonian fluid model lacks the reflection of real fluid behavior and there is no way to explain the non-linear characteristics of Ⅶ added lubricant. In this research, we mathematically modeled the Ⅶ added lubricant behaviors which are the characteristics of non-Newtonian fluid behavior at high shear rate and boundary film formation on the solid surface. The consideration of elastic deformation in the contact region is also included in our computation and finally the converged film pressure and the film thickness with elastic deformation are obtained. The results are compared with those of Newtonian fluid model.
Recently, fluid dynamic bearings (EDBs) have important applications in miniature rotating machines such as those found in the computer information storage industry, due to their outstanding low acoustic noise and NRRO (Non-Repeatable Run Out) characteristics. This research investigates the dynamic behavior of fluid dynamic bearings composed of hydrodynamic herringbone groove journal and spiral groove thrust bearing. The five degrees of freedom of FDB are considered to describe the real motion of a general rotor bearing system. The Reynolds equation and five nonlinear equations of motion for the dynamic behavior are solved simultaneously, The incompressible Reynolds equation is solved by using the finite element method (FEM) in order to calculate the pressure distribution in a fluid film and the five equations of motion by using the Runge-Kutta method. The reaction forces and moments are obtained by integrating the pressure along the fluid film. Numerical results are validated by comparing with the previously published experimental and numerical results. As a result the dynamic behavior of FDB spindle such as orbit, floating height, and angular orbit is investigated by considering the conical motion under the static and dynamic load conditions.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제4권3호
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pp.322-334
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2012
This paper shows the numerical and experimental results about the hydrodynamic characteristics of X-Twisted rudders having continuous twist of the leading edge along the span. All the results were compared with those of the semi-balanced rudder. Calculation through the Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equation (RANSE) code with propeller sliding meshes shows large inflow angle and fast inflow velocity in the vicinity of ${\pm}0.7$ R from the shaft center, so it may cause cavitation. Also, X-Twisted rudder has relatively small inflow angles along the rudder span compared with semi-balanced rudder. For the performance validation, rudders for two large container carriers were designed and tested. Cavitation tests at the medium sized cavitation tunnel with respect to the rudder types and twisted angles showed the effectiveness of twist on cavitation and the tendency according to the twist. And the resistance, self-propulsion and manoeuvring tests were also carried out at the towing tank. As a result, in the case of X-Twisted rudder, ship speed was improved with good manoeuvring performance. Especially, it was found out that manoeuvring performance between port and starboard was well balanced compared with semi-balanced rudders.
A mechanical face seal is a tribo-element intended to control leakage of working fluid at the interface between a rotating shaft and its housing. Leakage of working fluid decreases drastically as the clearance of the mating seal faces gets smaller. But the very small seal clearance results in an increased reduction of seal life because of high wear and heat generation. Therefore, in the design of mechanical face seals a compromise between low leakage and acceptable seal life is important, and it presents a difficult and practical design problem. A fluid film or sealing dam geometry of the seal clearance affects seal lubrication performance very much, and thereby it is one of the main design considerations. In this study the Reynolds equation for the sealing dam of mechanical face seals is numerically analyzed, using the Galerkin finite element method, which is readily applied to various seal geometries. Film pressures of the sealing dam are analyzed, including the effects of the seal face coning and tilt. Then, lubrication performances of the seals, such as opening forces, restoring moments, leakage, and dynamic coefficients, are calculated, and they are compared to the results obtained by the narrow seal approximation.
본 연구에서는 2 차원 캐비티 유동에서 경계조건 부여 방법의 차이에 따른 유체유동의 이력이 최종적인 정상상태에 미치는 효과를 수치실험을 통하여 관찰하였다. 그 결과 유동의 Reynolds 수가 작은 경우는 유동장이 가지는 이력이 시간의 경과와 함께 소멸하여 하나의 정상유동 상태를 가지는데 반하여, 큰 Reynolds 수에서는 유동장 이력이 소멸하지 않고 유지됨으로 인하여 다수의 정상유동 형태가 나타남이 확인이 되었다. 엄밀한 이론적 해석은 현재 이루워지지 않았으나 유체 운동량의 증가에 따라 Navier-Stokes 방정식의 비선형성이 영향을 미치고 있다고 여겨진다.
In this paper, a numerical study is carried out for super-pipe, flat plate and axisymmetric body flows to investigate a validity of using wall function and high $y_1^+$ in calculation of high Reynolds number flow. The velocity profiles in boundary layer agree well with the law of the wall. And it is found that the range of $y^+$��which validated the logarithmic law of the wall grows with increasing Reynolds number. From the result, an equation is suggested that can be used to estimate a maximum $y^+$ value of validity of the log law. And the slope(1/$\kappa$) of the log region of the numerical result is larger than that of experimental data. On the other hand, as $y_1^+$ is increasing, both the friction and the pressure resistances tend to increase finely. When using $y_1^+$ value beyond the range of log law, the surface shear stress shows a significant error and the pressure resistance increases rapidly. However, when using $y_1^+$ value in the range, the computational result is reasonable. From this study, the use of the wall function with high value of $y_1^+$ can be justified for a full scale Reynolds number ship flow.
Cavitation phenomena observed during the operation of a submerged plain journal bearing (PJB) can affect bearing performance parameters such as dynamic coefficients, whirl frequency ratio, and critical mass. This study presents numerical solutions of the Reynolds equation for steadily and dynamically loaded submerged PJBs with half-Sommerfeld (HS), Reynolds, and Jakobsson-Floberg-Olsson (JFO) cavitation models when the supply pressure is larger or equal to the cavitation pressure. The loads at various eccentricity ratios are identical; however, the attitude angle is approximately 6% smaller when the eccentricity ratio is between 0.2 and 0.7 and the JFO model is used, compared to that when the Reynolds model is used. Dynamic coefficients obtained with the HS and Reynolds model show good agreement with each other, except for kxz, which is sensitive to changes in the force normal to the rotor weight, and is attributed to the difference in the attitude angle obtained with each cavitation model. Stiffness coefficients are determined using the pressure distribution in the film, and therefore, when the JFO model is used, the direct stiffness coefficients are affected and show opposite signs for most eccentricity ratios. The mass-conservative JFO model can predict at least a 30% smaller critical mass compared to that using the HS and Reynolds models. Thus, the instability analysis results can change based on the cavitation model used in a submerged PJB. The results of this research indicate that the JFO model should be used when designing a rotor system supported by submerged PJBs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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