数值调查Superlaminar轴颈轴承的湍流模型

文摘

与旋转机械在高速工作,石油流入轴承成为superlaminar。superlaminar条件下,流动展览层流和湍流充分发展之间的关系。在这项研究中,superlaminar油流的润滑的倾斜垫径向轴承进行了分析通过计算流体动力学(CFD)。建立一个三维的轴承模型。CFD结果从层流模型和14个湍流模型与实验结果比较。pad-side压力的层流仿真结果与实验数据一致。因此,湍流影响superlaminar流应该考虑。模拟温度和压力分布从古典完全发展湍流模型不能准确地符合实验数据。因此,湍流模型应该纠正superlaminar流。然而,一些修正,如过渡调整,是不合适的。 Among all the flow models, the SST model with low-Re correction exhibits the best pressure distribution and turbulence viscosity ratio. Velocity profile analysis confirms that a buffer layer plays an important role in the superlaminar boundary layer. Classical fully developed turbulence models cannot accurately predict the buffer layer, but this problem can be resolved by initiating an appropriate low-Re correction. Therefore, the SST model with low-Re correction yields suitable results for superlaminar flows in bearings.

1。介绍

轴承润滑剂流已被认为是层流,润滑油空化进行了广泛的调查。拉应力也一直在探索确定空想的和气体空化机制1- - - - - -3]。两个空化机制在静态和动态负载下进行比较来确定主导机制(4- - - - - -6]。基于空气溶解度的新模式也提出了气体空泡(7,8),提高了考虑非平衡溶解在油膜轴承(9]。一个锥形的土地推力轴承也被用来验证空化效应(10,11]。温度和空化之间的关系一直是评估(12- - - - - -15]。

旋转机械在高旋转速度大规模,径向轴承的性能削弱随着摩擦损失增加,径向轴承的润滑剂流态变化从层流到superlaminar或动荡。考虑到相当高的充分发展湍流雷诺数,油流政权在高速轴承superlaminar[》杂志上16]。因此,superlaminar杂志轴承应准确地预测来提高这些轴承的性能。

Superlaminar在轴承油电影探讨了考虑湍流的影响。湍流影响轴承润滑剂流最初研究的基础上,混合长度理论。层流的模拟结果与实验数据相比,湍流仿真结果证实,湍流效应应考虑轴承润滑剂流(17,18]。Ng和锅19)进一步研究的理论基于法律墙和混合长度理论。考虑到验证理论结果基于法律的墙,Hirs [20.)提出了一个总体流动理论仿真轴承润滑剂。Suganami和Szeri21)检查热效果,证实了这种效应对轴承性能至关重要。详细thermohydrodynamic (THD)分析也被惯性进行确认的重要作用[22)和superlaminar流机制(23在流程模拟。考虑表面粗糙度效应,雷诺方程已被修改为一个精确的近似分析的流24]。

谷口et al。25)建立了一个实验装置的倾斜垫轴颈轴承获得轴承表面压力和温度数据变量轴承负载下和旋转速度。在这项研究中,近似模型的仿真结果与修正雷诺方程可以捕获实验数据的一般特征,但并不准确。superlaminar轴承需要精确模型的准确的预测湍流影响石油流。与此同时,与雷诺模型相比,计算流体动力学技术有足够的可用的湍流模型对石油流模拟。因此,CFD模拟的是一个可行的方法superlaminar轴承油流动。

CFD技术已经用于模拟superlaminar石油流入轴承。Maneshian和Gandjalikhan Nassab [26]报道的轴颈轴承的CFD结果AKN low-Re- - - - - -湍流模型。这项工作的基础上,Solghar Gandjalikhan Nassab [27]数值分析平原满轴承相同的湍流模型。

湍流模型中扮演重要角色CFD模拟和仿真结果影响显著。虽然Bouard等人相比,三种湍流模型使用雷诺方程在倾斜垫轴承》杂志上[28),湍流模型在CFD技术不同于雷诺方程和当前CFD superlaminar轴承的研究没有提供详细比较不同的湍流模型。因此,本文比较了温度和压强十四湍流模型的仿真结果与实验数据从谷口et al .‎25superlaminar)来确定最合适的湍流模型模拟和解释底层机制和superlaminar流。

本文的其余部分组织如下。部分2介绍了几何和网格测试superlaminar轴颈轴承的谷口et al。25]。部分3描述了十四个湍流模型来模拟superlaminar流。部分4讨论了温度、压力、湍流粘度比和演示了最合适的湍流模型的模拟superlaminar石油流。部分5比较了模拟速度分布和理论结果基于法律的墙。部分5进一步说明了superlaminar流动的机制和因素的不同性能水平湍流模型。部分6显示了结论superlaminar流动的湍流模型的选择和显示superlaminar流动的物理意义。

2。几何和网格

仿真对象测试倾斜垫轴颈轴承的谷口et al。25]。图1描绘了整个实验装置的横截面。表1列出此轴颈轴承的规格。

这个倾斜垫的模拟工况轴颈轴承是选为标准工况在3000 r / min和180 kN载荷作用下。考虑到实验电影压力分布如图2、数字2和3加载轴承垫,而数字1和4轴承垫卸载。石油流2号3号垫也有类似的特征因为之间的负载角垫垫。因此,整个轴颈轴承取代了模拟加载垫之一来简化轴承几何。石油流动的主要特征也可以从仿真结果获得的加载垫。

图3显示数字2的测量油膜厚度垫在3000 r / min和180 kN载荷作用下25]。结构化网格的三维几何形状对石油是固定的基于测量膜厚和结构化网格的网格独立性进行验证(29日]。结构化网格图所示4。沿着润滑油流动方向,径向厚度设置测量膜厚。在轴向,径向厚度是常数和轴承的轴向长度等于长度300毫米。侧脸长度方向垂直于(设在)。rotor-side和径向pad-side墙壁是正常的。

2号垫网的最小正交质量等于0.757,接近1的值对应于高质量的地方。2号的最大邻位的倾斜垫网= 0.243,接近0的值对应于高质量的地方。因此,这种结构化网格质量高。

轴颈轴承的润滑剂是ISO VG32。考虑到热影响材料粘度、分段线性插值方法来确定温度和粘度之间的关系数据列在表中2。石油供应压力和温度在饲料油孔0.1 MPa和315.15 K,分别基于实验仪器的数据。

表3详细列出了边界与参考压力设置为1条。考虑2号垫的出口是另一个入口油孔的位置和测量出口压力为0.1 MPa, 2号出口的相对压力垫设置为0.1 MPa。入口混合物温度被认为是均匀分布,并将其值设置在315.35 K的测量温度在2号入口垫。此外,pad-side和rotor-side墙的传热系数设置为115 W / (m²·K)与自由流温度等于入口温度根据谷口等的工作。25]。润滑剂速度rotor-side墙上设置转子的转速,314.159 rad / s。润滑剂速度pad-side墙上设置为零。

3所示。湍流模型

轴颈轴承的油流政权前应该明确讨论促进CFD模拟选择合适的模型。这个政权的雷诺数,可以定义如下(30.]: 在哪里设置测量油膜厚度,设置的转速rotor-side墙,和价值的取决于rotor-side温度来计算油膜的雷诺数。

除了指出雷诺数定义,另一种减少雷诺数也通常定义为在轴承中正确考虑轴直径的影响分析(30.]。它的定义是 在哪里是设置为转子的半径。

雷诺数的定义都是公认的方法nondimensionalizing流湍流特征在现代轴承治疗(30.]。最初计算雷诺数降低,然后增加出口(图5)。雷诺数变化表明,流态变化superlaminar层流和湍流影响油膜雷诺数的变化。因此,应该考虑湍流效应的模拟。

本研究使用ANSYS流利与有限轴承模拟卷。在CFD,不可压缩湍流和层流模型的基础是navier - stokes方程和连续方程。n - s方程表示如下:

连续方程

考虑热效应,能量方程包括: 在粘性耗散函数是由以下几点:

湍流粘度的值和动力粘度需要解决上述方程。而层流模型考虑湍流粘度为零,湍流模型利用变量方法获得湍流粘度的价值。

总共14个湍流模型是用来模拟石油流。表4表明,这些模型分为三组:经典的完全发展湍流模型、过渡湍流模型和湍流模型与low-Re修正。每组包括不同的标准湍流模型修正,形成新的修改湍流模型。

不同的修正被添加到这些湍流模型。

low-Re修正方程的不同的湍流模型的变量。例如,low-Re修正风场模型的目的是抑制湍流粘性系数和修改湍流动能和特定的传输方程耗散率。的方程表示如下:

基于Menter-Langtry间歇性过渡修正- - - - - -层流湍流过渡模型,它也被称为过渡SST模型。修改生产和破坏条件从湍流动能方程实现动能,以确保生产足够低的过渡点。

所有的湍流模型在表4有可调参数。这些参数设置为默认值,这是一样的流利的软件,合理设置湍流模型。例如,的参数- - - - - -模型是列在表中5。

所有湍流模型使用half-Sommerfeld空化模型。

4所示。仿真结果对比

4.1。温度分布的比较

温度分布的准确模拟是必要的,以确定近似特征。因此,pad-side中心线的模拟温度分布与实验数据进行比较选择的3号板从谷口的结果等。25),以确定最合适的湍流模型superlaminar轴颈轴承模拟。

与实验数据相比,数字6显示了在pad-side中心线温度仿真结果。

图6显示模拟pad-side古典完全发展湍流模型的温度远低于实验数据。周围的温差出口超过5 K。相比之下,层流pad-side温度是5 K高于出口周围的实验温度数据。无论高或低温度仿真结果,实验数据表明,经典的显著区别完全发展湍流模型和层流模型不能准确地确定的热力学特征superlaminar石油流。

除了经典的完全发展湍流模型、湍流过渡模型的性能很差。其中,过渡- - - - - -- - - - - -模型和SST模型与间歇性过渡模型几乎相同的温度仿真结果层流模型。过渡湍流模型的最小误差仍在出口超过5 K。因此,湍流模型的过渡不适合superlaminar轴承的近似模拟。

尽管的温度分布- - - - - -模型与low-Re修正大约5 K高于实验数据,对海温与low-Re校正模型几乎相同的温度仿真结果作为实验数据。其最大误差大约是2 K,这是低于其他13个湍流模型的错误。因此,考虑到温度分布是一个重要的热特性,对海温与low-Re校正模型是最好的湍流模型superlaminar石油流模拟。

4.2。负载比较

在数值模拟中,电影这个轴颈轴承的几何是由实验给出膜厚度分布在180 kN,在3000 r / min。考虑到轴承负荷是一个重要的特点,模拟轴承载荷与试验负载。

正如节中提到的2和图2,加载垫提供承载和加载垫,数字2和3垫,几乎相同的压力分布。因此,一个加载垫提供轴承负荷,相当于90 kN。垫加载模拟不同的模型是列在表中6。

如表所示6垫负载模拟的SST与low-Re校正模型是最接近实验数据和它的相对误差是1.27%,足够精确的轴承负荷预测。

古典中湍流模型,SA有最好的垫负载模型及其误差仍大于10%,不可接受的负荷预测。至于过渡与low-Re修正湍流模型和其他湍流模型,他们的错误都大于33%,不能准确地预测负载。因此,在所有这些模型,对海温与low-Re校正模型是唯一合适的轴承负荷模拟。

4.3。压力分布比较

除了温度分布、压力分布的模拟应纠正官获得准确的特点。模拟pad-side pad-side中心线的压力分布与实验数据相比从谷口等。25),以确定最合适的湍流模型superlaminar轴颈轴承模拟。

4.3.1。经典的湍流模型

与实验数据相比,压力古典湍流模型的仿真结果的中心线pad-side墙图所示7。

最高的模拟pad-side层流2.43 MPa的压力从入口40.0°,低于39.6%的最高测量pad-side 4.02 MPa的压力为43.3°。虽然模拟误差的角度pad-side最高压力是可以接受的,最高压力值的误差不能被忽视。因此,湍流对水动力特性的影响可以忽略不计。

表7显示错误的最高压力值古典完全发展湍流模型是20%以上。与实验数据的差异是不可接受的。因此,湍流效应superlaminar油流应该考虑不同于充分发展湍流。

仿真结果中观察到一个小的区别是不同的经典- - - - - -模型。相比之下,RNG- - - - - -模型与可伸缩的墙处理,可实现的仿真结果- - - - - -和标准- - - - - -模型与可伸缩的墙处理更符合实验压力数据,这仍比层流的结果。

4.3.2。过渡湍流模型

与实验数据相比,压力过渡湍流模型的仿真结果的中心线pad-side墙图所示8。

表8表明,最高压力值与过渡角SST模型比实验数据低31.09%和9.47%,这是最好的结果在过渡湍流模型。然而,这些珍贵的轴承模拟值仍然是不可接受的。

的过渡- - - - - -- - - - - -模型和SST模型与间歇性过渡模型执行比几个古典完全发展湍流模型,如SA模型。因此,转变模型不适合模拟superlaminar油流和其他修正应该被添加到这个模拟的湍流模型。

4.3.3。湍流模型与Low-Re修正

与实验数据相比,压力湍流模型的仿真结果与low-Re校正的中心线pad-side墙图所示9。

表9显示不同的湍流模型仿真结果有所不同,与最好的模型在这组SST与low-Re校正模型。pad-side最高压力值的误差模型是7.21%,这也是最好的14中湍流模型。

与理论数据25),最高压力值的海温与low-Re校正模型更高,与实验数据有较小的差异。压力模拟的SST模型low-Re校正在出口下降更快,接近实验数据的变化趋势比的理论数据。此外,理论解决修正雷诺方程,获得的数据与CFD方法不同。因此,CFD模拟的SST模型low-Re校正提供了一个相关的方法来模拟轴承油流动的特点。

与此同时,low-Re AKN- - - - - -模型,利用Solghar和Gandjalikhan Nassab [27)和Maneshian Gandjalikhan Nassab [26),模拟了压力分布类似于层流。这种情况意味着认为适当的湍流效应不是low-Re AKN- - - - - -效果,传输方程和湍流粘度的修正应修改superlaminar流。相比之下,对海温与low-Re校正模型,low-Re- - - - - -模型通常执行比标准的仿真结果更糟糕- - - - - -模型与可伸缩的墙处理。这种情况表明,low-Re修正- - - - - -湍流模型可能不适合轴承油流动模拟。

pad-side压力层流和典型的湍流模型的轮廓每组在图所示10。左边界是石油进口,而正确的边界是石油出口。

前面提到的轮廓显示,最高压力位置几乎是相同的,这是符合pad-side压力导致中心线和反映了必要性分析模拟中心线的压力。

因此,分析表明,上述压力,其中14个湍流模型和层流模型,对海温与low-Re校正模型模拟执行最好的压力。

对海温与low-Re校正模型可以模拟的THD特点superlaminar油流基于压力和温度的准确分析。

4.4。湍流粘度比分布的比较

湍流强度也应讨论了详细的比较。图11显示了湍流粘度比在pad-side墙和rotor-side墙之间的中心线。湍流粘度比的定义是层流粘性湍流粘度的比值 ,成正比湍流雷诺数和代表了湍流强度。

图11显示了一个显著增加湍流粘度比几乎所有进口湍流模型。这种情况是由于自动调整湍流动能,湍流耗散率,和特定的耗散率的入口边界湍流模型。

忽视了进口增加,而石油的雷诺数流图5,紊流风场模型的粘度比low-Re校正和SST模型显示一个类似的降低,然后增加的变化趋势。这种情况意味着他们可以赶上正常湍流效应的变化趋势。

的low-Re AKN- - - - - -模型和SST模型与间歇性过渡模拟石油流纯层流与湍流粘度比等于零。的Menter-Langtry- - - - - -层流湍流过渡模型还模拟了石油流层流的出口,这也解释了为什么过渡层流模型表现出相似的温度分布。因此,转变模型不适合superlaminar流。

图12描述的轮廓湍流粘度比模拟的SST与low-Re校正模型。上边界是rotor-side,而降低边界pad-side。2号垫角为80°,和三个选定地点20°,40°,60°的入口。

图12表明,湍流粘度比模拟的SST模型low-Re校正减少慢慢从20°60°,这是符合湍流粘度比的变化趋势图11。轮廓是对称的两个低湍流粘度比地区,反映两个墙边界的影响。

这些结果一般推断SST模型low-Re修正为superlaminar流轴承生产更好的结果比其他13个湍流模型和层流模型。

5。速度剖面分析

石油流场应该详细检查分析海温与low-Re校正模型。首先,中间面,垂直于方向和长度位于中间的板长度、。五个概要文件在不同学位然后入口位于中间平面。五个速度剖面如图13。

速度概要文件之间的差异是最明显的在40°的入口,也显示了边界层的影响。层流速度分布是一个直线从pad-side墙rotor-side墙,而对海温的速度资料与low-Re校正模型和SST模型s形曲线。s形曲线表明,两个风场模型考虑粘性子层和缓冲层。rotor-side边界层也与pad-side边界层中间缓冲层区域。

速度概要文件的三个模型0°20°,60°、80°的入口没有如此显著的差异从入口速度为40度,这可能是由于入口和出口边界的影响,不能显示,这三个模型的速度概要文件之间的差异。

然而,图13显示速度剖面不同风场模型low-Re校正和SST模型没有足够清晰的分析两种湍流模型。因此,无量纲参数和采用的速度分布。

考虑到速度概要文件之间的差异是最明显的在40°的入口,然后的位置和从入口设置在40°。

因此,可以计算如下: 在哪里可以计算如下: 和可以计算如下:

考虑到需要到最近的墙的距离值(),那么石油流区域分为两部分:pad-side和rotor-side部分。中间的分界线是流的区域。rotor-side和pad-side部分利用rotor-side pad-side壁剪切应力(),分别单独解决两个边界层。

图14显示的变化趋势与从进口增加40°。粘性子层和log-law线条勾勒出了基于CFD的比较结果和在粘性底层和log-law地区功能。

的功能和在粘性底层表达如下:

的功能和log-law地区为一个光滑的墙表示如下(31日]:

pad-side和rotor-side部分SST模型与low-Re校正获得类似的结果。模拟最初几乎一样的粘性底层,这意味着这个流地区实际上是粘性子层。模拟然后低于log-law附近的粘性底层,成为。这种情况意味着边界层的变化从粘性子层在后期缓冲层。如果足够的空间用于边界层发育完全,然后模拟可以在后期log-law一样。

相对较大的差异之间存在pad-side和rotor-side部分SST模型的价值。然而,模拟的变化趋势在两部分几乎是相同的。模拟变化是最初类似于粘性子层,这意味着粘性子层正确被认为是在这个湍流模型。然而,模拟然后比log-law变得更高,增加更快,与法律不一致的墙上。这种情况意味着缓冲层错误被认为是在风场模型中。

因此,缓冲层中扮演最重要的角色的湍流边界层superlaminar轴承。这种情况表明,几乎所有superlaminar流湍流的机理。经典的完全发展湍流模型不能准确地预测缓冲层,但适当的low-Re校正可以解决这个问题。这个场景中解释了为什么SST模型low-Re校正轴承生产适合superlaminar流动的结果。

6。结论

结构化网格的三维模型,建立了斜垫轴颈轴承在这项研究中。总共14个湍流模型和层流模型用来模拟superlaminar油流在3000 r / min和180 kN载荷作用下。仿真结果与实验数据比较了谷口et al。25]。当前的研究的结论总结如下:(我)与实验数据相比,层流和湍流古典模型不能准确地模拟温度和压力分布。因此,层流和古典充分发展湍流模型不能适应superlaminar流。(2)过渡湍流模型模拟速降湍流粘度比和考虑石油出口为层流绕流。这种模式不同于实验雷诺数的变化趋势。因此,过渡模型通常获得类似的层流仿真结果正确,不能正确地模拟石油流模拟有明显区别(THD特点和实验结果。(3)low-Re修正在不同湍流模型的表现有所不同。的- - - - - -模型与low-Re校正模拟油流动为层流,导致不可接受的结果和实验数据的温度和压力的差异。然而,海温与low-Re校正模型的结果与实验数据一致。low-Re校正的SST是最好的调整模拟superlaminar油流相比,之间的倾斜垫轴颈轴承模型。(iv)速度资料表明,缓冲层中扮演最重要的角色的湍流边界层轴承。这一发现表明,superlaminar壁面湍流流动机制。尽管古典完全发展湍流模型无法准确预测缓冲层,一个适当的low-Re校正可以解决这个问题,帮助SST模型low-Re修正产生合适的结果superlaminar流轴承。

总之,这项研究揭示了物理意义superlaminar石油流入轴承和重要的缓冲层的重要性superlaminar流。一个合适的湍流模型,对海温与low-Re校正模型,指出准确模拟superlaminar流。

命名法

:	常数
:	常数
:	常数
:	常数
:	膜厚度
:	身体的力量
:	三个维度
:	湍流动能
:	应力张量
:	转子的半径
:	雷诺数
:	低雷诺数
:	湍流雷诺数
:	时间
:	流速
:	无量纲速度
:	摩擦速度
:	距离最近的墙
:	墙协调
:	湍流粘性系数
:	湍流耗散率
:	动力粘度
:	密度
:	常数
:	常数
:	壁剪切应力
:	特定的耗散率。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

引用

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