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1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar.252016V01.37No.31060.1073ISSN1000.6893CN11.1929/Vhttp://hkxb.buaa.edu.CRhkxb@buaa.edu.cnDOI:10.7527/$1000—6893.2015.0086軸承腔油滴含率及油滴相與空氣能量傳遞分析孫恒超,陳國(guó)定*,王莉娜,王菲西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,西安710072摘要:為了改善迄今軸承腔油滴運(yùn)動(dòng)分析未包含油滴與空氣熱量傳遞以及油滴相/空氣
2、介質(zhì)均相處理中油滴含率確定方式不夠準(zhǔn)確的不足,借助單個(gè)油滴運(yùn)動(dòng)分析和油滴尺寸分布提出了軸承腔油滴含率及油滴相與空氣能量傳遞分析方法。首先在考慮單個(gè)油滴與空氣對(duì)流換熱條件下,將油滴能量方程嵌入運(yùn)動(dòng)方程,并同步離散求解油滴運(yùn)動(dòng)方程和能量方程,實(shí)現(xiàn)了單個(gè)油滴運(yùn)動(dòng)速度和溫度的聯(lián)立求解,通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比證明考慮溫度效應(yīng)有助于提升油滴速度計(jì)算的準(zhǔn)確性;然后確定了軸承腔油滴尺寸分布,并離散油滴尺寸分布范圍以及軸承腔流場(chǎng)空間,進(jìn)行油滴運(yùn)動(dòng)分析確定了軸承腔不同徑向位置處油滴的體積和質(zhì)量含率及油滴相與空氣的動(dòng)能和熱能傳遞量
3、。構(gòu)建了圓盤腔油滴含率試驗(yàn)臺(tái),開(kāi)展了油滴體積含率的試驗(yàn)測(cè)量,理論計(jì)算值與試驗(yàn)值較為吻合,驗(yàn)證了軸承腔油滴含率分析方法的有效性。關(guān)鍵詞:航空發(fā)動(dòng)機(jī);軸承腔;液滴;液滴尺寸分布;對(duì)流換熱;含率;熱能;動(dòng)能中圖分類號(hào):V233.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):i000—6893(2016)03—106014航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔起著保證主軸軸承安全工作的重要作用,因此近年來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速、高運(yùn)行溫度以及大進(jìn)氣比的發(fā)展趨勢(shì)[13對(duì)提升軸承腔設(shè)計(jì)水平有著較為急迫的需求。在軸承腔中通過(guò)篦齒密封進(jìn)入的空氣受轉(zhuǎn)子帶動(dòng)及外部環(huán)境的加熱作
4、用具有很高的切向速度和溫度;由軸承運(yùn)動(dòng)元件甩出的潤(rùn)滑油滴射向軸承腔,在空氣熱力作用下油滴的速度、位置和溫度在不斷變化,并在離心力作用下運(yùn)動(dòng)到腔壁上沉積形成油膜;最終油膜和空氣分別從排油口和通風(fēng)口流出軸承腔。軸承腔高效的潤(rùn)滑和冷卻設(shè)計(jì)依賴于準(zhǔn)確地理解腔內(nèi)油滴/空氣/油膜共存的復(fù)雜的油氣兩相流動(dòng)和換熱狀態(tài),因此軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱狀態(tài)研究得到了廣泛的關(guān)注。就涉及到軸承腔油滴和空氣流動(dòng)的研究而言,以往的研究主要是開(kāi)展了單相空氣介質(zhì)流動(dòng)分析、油滴運(yùn)動(dòng)分析和基于油滴/空氣介質(zhì)均相處理的油氣兩相流動(dòng)數(shù)值仿真等工作
5、。Glahn和Simmons等心。33借助計(jì)算流體力學(xué)(Computation—alFluidDynamics,CFD)軟件對(duì)軸承腔單相空氣介質(zhì)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值仿真,繼而確定了油滴受到的空氣阻力作用,并利用拉格朗日數(shù)值方法計(jì)算了若干典型尺寸油滴的運(yùn)動(dòng)速度和軌跡。Farrall等[4‘1則將描述油滴運(yùn)動(dòng)的子模型嵌入CFX軟件并計(jì)算了典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔的空氣流動(dòng)和油滴軌跡。陳國(guó)定等邸11分析了軸承腔結(jié)構(gòu)工況與油滴直徑分布參數(shù)的關(guān)系,并基于油滴尺寸分布開(kāi)展了油滴運(yùn)動(dòng)及沉積分析。Chen等口。91則提出了軸承腔油
6、滴變形模型,并計(jì)算了軸承腔油滴變形和運(yùn)動(dòng)情況。呂亞國(guó)等[1叩同時(shí)考慮了油滴運(yùn)動(dòng)對(duì)空氣的作用,建立了軸承腔油氣流動(dòng)的雙向耦合模型,并重點(diǎn)關(guān)注了油滴運(yùn)動(dòng)對(duì)空氣速度和收稿日期:2015—02—10;退修日期:2015—03—04;錄用日期:2015—03—13;網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2015—03—2716:54網(wǎng)絡(luò)出版地址:WWWcnki.net/kcms/detail/11.1929.V.201503271654001htmI基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51275411)*通訊作者Tel:029—88493929E
7、-mail:gdchen@nwpueduON引用格武:孫恒超,陳國(guó)定.I莉铘,等.軸承腔油滴含率及油滴相s空氣能量傳遞分析!J],航空學(xué)報(bào).2016,37(3):1060.1073.SUNHC,OHENGD·WANGLN·etalOildropletsfractionsandoildroplets/airenergytransferanalysm{nbearingchamber[如Ac—taAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(3):1060.1073,孫恒超,等
8、:軸承腔油滴含率及油滴相與空氣能量傳遞分析湍動(dòng)能的影響。在油氣兩相流動(dòng)數(shù)值仿真工作方面,F(xiàn)louros等¨¨按照進(jìn)油量和進(jìn)氣量的比例將油滴和空氣進(jìn)行了均勻化處理,確定了均相介質(zhì)的密度、比熱和熱導(dǎo)率等物性參數(shù),并使用CFX軟件對(duì)軸承腔回油管中油氣流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。陳國(guó)定等[12。13。將油滴相/空氣混合物按一定油氣比例簡(jiǎn)化為均相介質(zhì),建立了均相介質(zhì)/壁面油膜分層流動(dòng)分析模型并展開(kāi)油氣兩相流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算。然而,以往關(guān)于軸承腔油滴