Título

THE EFFECT OF PERMEABILITY DISTRIBUTION IN THE NUMERICAL ANALYSIS OF AEROSTATIC CERAMIC POROUS BEARINGS

O EFEITO DA DISTRIBUIÇÃO DA PERMEABILIDADE NA ANÁLISE NUMÉRICA DE MANCAIS AEROSTÁTICOS CERÂMICOS POROSOS

Autoria

Nicoletti, Rodrigo; Purquerio, Benedito de Moraes; Silveira, Zilda de Castro

DOI

10.5151/5463-5463-17096

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Resumo

This work presents a numerically study about effect of permeability in the static characteristics of aerostatic ceramic porous bearings. This study is important for bearing design in function of inherent alterations during manufacturing and sintering processes that can induce variability in the permeability among porous ceramic samples. The mathematical modeling of such bearings is based on the modified Reynolds equation, which depends on the pressure-flow assumption (Darcy or Forchheimer) on the static and dynamic permeability coefficients of the porous matrix. In this work, the modified Reynolds equation is numerically solved considering the variations of permeability values, whose distribution was obtained from experimental tests of the ceramic samples. Monte Carlo method is used to introduce variability in the solutions. One focuses on the effects of such variation in the results of bearing loading capacity and bearing stiffness coefficient. Variations in dynamic permeability affect system linearity, which is quite obvious considering that this parameter only appears when quadratic pressure-flow assumption is adopted (system is non linear). However, variations in permeability which is adopted when linear pressure-flow assumption is considered, may lead to a system non-linearity if design variables will be in the edge of the linear region. Therefore, optimum regions of bearing load capacity and stiffness may vary significantly due to static permeability variation, thus hindering bearing design.

 

Este trabalho apresenta o estudo numérico do efeito da variação da permeabilidade nas características estáticas de mancais cerâmicos porosos. Essa investigação é importante para o projeto de mancais, devido às eventuais alterações na variação da permeabilidade entre as amostras do material cerâmico, mesmo quando há repetibilidade do processo, durante a manufatura da matéria-prima, e posterior processo de sinterização, O modelo matemático dos mancais está baseado na equação modificada de Reynolds, que depende da hipótese de escoamento-pressão adotada (Darcy ou Forchheimer) sobre o coeficiente de permeabilidade estático e dinâmico na matriz porosa. Neste trabalho a equação modificada de Reynolds é solucionada numericamente considerando a variação dos valores de permeabilidade, cujas distribuições foram obtidas a partir de ensaios experimentais com as amostras do material cerâmico poroso. O método de Monte Carlo é utilizado para introduzir variabilidade nas soluções, cujo objetivo é obter os efeitos de tais variações, nos resultados da capacidade de carga do mancal e de seu coeficiente de rigidez. Variações na permeabilidade dinâmica afeta linearmente o sistema, condição aceitável uma vez que esse parâmetro somente tem influência no sistema, quando o termo quadrático do escoamento-pressão é considerado no sistema. Entretanto, variações na permeabilidade estática (adotada), quando o termo escoamento-pressão é linear pode conduzir o sistema, a um comportamento não linear, se as variáveis de projeto estiverem no contorno da região linear. Dessa forma, regiões ótimas de capacidade de carga e rigidez do mancal podem variar significativamente, devido às alterações na permeabilidade estática inviabilizando o projeto do mancal.

Palavras-chave

Ceramic porous; Aerostatic bearings; Monte Carlo simulation; Permeability.

Cerâmica porosa; Mancal aerostático; Simulação de Monte Carlo; Permeabilidade.