(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211077713.9 (22)申请日 2022.09.05 (71)申请人 重庆大学 地址 400044 重庆市沙坪坝区沙坪坝正 街 174号 (72)发明人 马驰　罗方琼　刘佳兰　王时龙　 (74)专利代理 机构 重庆航图知识产权代理事务 所(普通合伙) 50247 专利代理师 胡小龙 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于旋转热管的高速电主轴流-热-固耦合 特性仿真方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于旋转热管的高速电 主轴流‑热‑固耦合特性仿真方法， 包括如下步 骤： 步骤一： 根据高度电主轴的发热、 散热条件以 及几何约束条件设计旋转热管的结构参数， 并将 设计得到的旋转热管置入到高速电主轴内； 步骤 二： 建立旋转热管的气液相变模型， 对旋转热管 进行流体模拟分析， 以揭示旋转人管在高速电主 轴复杂工作条件下的蒸发段机理和填充率对旋 转人管散热性能的影响； 步骤三： 建立带有旋转 热管的高速电主轴的流 ‑热‑固耦合特性模型， 对 高速电主轴进行瞬态传热分析并得到温度场， 对 高速电主轴进行瞬态变形分析并得到变形场。 能 够揭示旋转热管对高速电主轴的流体 ‑热‑固相 互作用特性的作用机制。 权利要求书3页 说明书17页 附图8页 CN 115292852 A 2022.11.04 CN 115292852 A 1.一种基于旋转热管的高速电主轴流 ‑热‑固耦合特性仿真方法， 其特征在于： 包括如 下步骤： 步骤一： 根据高速电主轴的发热、 散热条件以及几何约束条件设计旋转热管的结构参 数， 并将设计得到的旋转热 管置入到高速电主轴内； 步骤二： 建立旋转热管的气液两相流相变模型， 对旋转热管进行流体模拟分析， 以揭示 旋转热管在高速电主轴复杂工作条件下的蒸发段机理和 填充率对旋转热管散热性能的影 响； 步骤三： 建立带有旋转热管的高速电主轴的流 ‑热‑固耦合特性模型， 对高速电主轴进 行瞬态传热分析并得到温度场， 对高速电主轴进行瞬态变形分析并得到变形场。 2.根据权利要求1所述基于旋转热管的高速电主轴流 ‑热‑固耦合特性仿真方法， 其特 征在于： 所述步骤一中， 高速电主轴工作时主要由两个热源， 分别为内置电机和前后轴承 组； 电机的功率损失为： Ps＝Pe(1‑η ) 其中， Ps表示功率损失； Pe表示额定功率； η表示电机效率； 在高速工况下， 三分之一的热量分布在转子上， 三分之二的热量分布在定 子上， 则： 其中， qrotor表示分布在转子上的热量； qstator表示分别在定子上的热量； Vrotor表示转子 的体积； Vstator表示转子的体积； 滚动轴承产生的摩擦力矩引起摩擦热Q， 即： Q＝1.047×10‑4×Mn 其中， M表示轴承摩擦力矩； n表示轴承转速； 摩擦力矩M为： 其中， M1表示外部负载的扭矩； M0表示润滑剂粘性摩擦的扭矩； f1表示与轴承结构和载 荷有关的系数； Fβ表示力的大小和方向； dm表示轴承的平均直径； v表示动力粘度； f0表示与 轴承和润滑方式有关的系数。 3.根据权利要求1所述基于旋转热管的高速电主轴流 ‑热‑固耦合特性仿真方法， 其特 征在于： 所述步骤一中， 高速电主轴内部空间紧凑， 散热条件差， 主轴外壳与空气处于自然 对流换热模式； 根据努塞尔数准则， 对流传热系数为： h＝(Nu·λ )/L 其中， h表示对流传热系数； Nu表示努塞尔数； L表示特 征尺寸； λ表示热导 率。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115292852 A 24.根据权利要求1所述基于旋转热管的高速电主轴流 ‑热‑固耦合特性仿真方法， 其特 征在于： 所述 步骤一中， 旋转热 管的离心加速度为： a＝ω2rsinα 旋转热管中， 流体的回流加速度a等于重力加速度， 即a/g＝1； 其中， ω表示旋转角速度； r表示旋转热管的最小内半径； α表示旋转热管内表面的锥 度； 旋转热管的长度根据高度电主轴的几何约束条件、 热源分布位置确定， 且旋转热管的 蒸发段应覆盖电机转子和前后轴承。 5.根据权利要求1所述基于旋转热管的高速电主轴流 ‑热‑固耦合特性仿真方法， 其特 征在于： 所述步骤二中， 以ANSYS  FLUENT构建旋转热管的气液相变模型， 利用VOF模型模拟 气液相变过程中的质量转换和能量转换过程， 利用Lee模 型模拟气液两相在蒸发、 沸腾和冷 凝过程中的机理。 6.根据权利要求5所述基于旋转热管的高速电主轴流 ‑热‑固耦合特性仿真方法， 其特 征在于： 利用VOF模型模拟气液相变过程中的质量 转换和能量 转换过程的方法为： 定义旋转热管中的气相和 液相的体积分数分别为αV和αL， 在计算区域中的每个网格单 元中， 满足以下 连续性方程： 其中， ρL表示液相的密度； ρV表示气相的密度；u表示动力粘度； Sm,L和Sm,V分别表示液相 和气相的质量源项； 表示梯度算子； 动量方程 为： 其中， I表示一个单位张量； FCSF表示由连续表面张力产生的体积力的源相； ρ表示混合 相密度； p表示管内压强； uT表示速度矢量g表示重力加速度； 能量方程 为： 其中， ρ 表示混合相密度； e表示内能； k表示热导 率； T表示温度； SE表示能量 转换源项； 密度ρ 、 导热系数k和动力粘度u通过混合相的体积平均求 解， 利用平均质量 求解内能e： 在旋转热管中， 表面张力影响气泡的产生、 生长、 合并和破裂的动态演化过程， 也是影权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115292852 A 3