水潤(rùn)滑下軸向排槽軸承溫度和承載能力的cfd分析

水潤(rùn)滑下軸向排槽軸承溫度和承載能力的cfd分析

船舶管道的潤(rùn)滑劑軸是船舶驅(qū)動(dòng)軸的重要組成部分。它的作用是支撐螺旋槳的軸。由于螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不均勻的動(dòng)載荷和船艉部振動(dòng)使得螺旋槳軸發(fā)生各種振動(dòng),螺旋槳軸的振動(dòng)使其在艉管軸承中的位置是時(shí)變的,螺旋槳軸對(duì)艉管軸承產(chǎn)生沖擊,這種沖擊也導(dǎo)致艉管軸承潤(rùn)滑狀態(tài)的變化,因此艉管軸承的工作條件非常惡劣。由于水是一種低粘度液體,在50℃時(shí)水的絕對(duì)粘度約為透明油粘度的1/65,故水作潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)水力膜的形成較為困難。另外,潤(rùn)滑液膜的承載能力與粘度成正比,與膜厚的平方成反比,因此在其它件都相同的情況下,為獲得相同的承載能力,水膜的厚度僅為油膜厚度的1/8。此外,由于水潤(rùn)滑軸承內(nèi)瓦形狀的多樣性,其流動(dòng)特性非常復(fù)雜,研究軸承內(nèi)瓦形狀對(duì)其水潤(rùn)滑特性研究具有重要意義。在過(guò)去國(guó)內(nèi)外的科學(xué)技術(shù)人員對(duì)水潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑特性和水動(dòng)力特性進(jìn)行了分析和研究。周春良、劉順隆針對(duì)水潤(rùn)滑船舶艉管軸承建立了三維幾何模型,用數(shù)值方法分析了水潤(rùn)滑船舶艉管軸承內(nèi)部流場(chǎng)的壓力分布、溫度分布、湍流能量分布。計(jì)算結(jié)果表明軸承內(nèi)部周向凹槽可以減緩軸承軸向壓力降低,軸向凹槽可以增強(qiáng)軸承內(nèi)部冷卻效果。王優(yōu)強(qiáng)、彭晉民等對(duì)當(dāng)前水潤(rùn)滑橡膠軸承的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了描述,總結(jié)了水潤(rùn)滑橡膠軸承具備的優(yōu)缺點(diǎn)。楊和庭、唐育民通過(guò)分析船舶艉管軸承的受力和描述船舶艉管軸承的受力計(jì)算,給出了水潤(rùn)滑橡膠軸承的設(shè)計(jì)公式軸承受力的計(jì)算公式及確定軸承間距的公式。張國(guó)淵、袁小陽(yáng)以4腔、毛細(xì)節(jié)流形式下的深腔動(dòng)靜壓軸承為研究對(duì)象,采用有限差分?jǐn)?shù)值方法求解了廣義雷諾方程,對(duì)水介質(zhì)潤(rùn)滑下的動(dòng)靜壓軸承三維壓力分布、溫度場(chǎng)分布及動(dòng)特性進(jìn)行了分析。周小林、趙高暉等以具有彈性的塑料軸承為例,分析了相應(yīng)的流體動(dòng)力潤(rùn)滑機(jī)制以及水槽結(jié)構(gòu)形式對(duì)其運(yùn)行特性的影響,結(jié)果表明:長(zhǎng)徑比大的軸承其負(fù)載能力亦相對(duì)較大。Alex等用有限元的方法對(duì)二維和三維固定載荷下的水潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和研究。水潤(rùn)滑軸承的結(jié)構(gòu)形式和復(fù)雜的湍流流動(dòng)特性使得采用試驗(yàn)的方法研究其水動(dòng)力特性和潤(rùn)滑狀態(tài)變得非常困難,并且由于人為的因素必須做較多地假設(shè),同時(shí)產(chǎn)生由于人為介入而導(dǎo)致的誤差。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的應(yīng)用得到了快速的發(fā)展,計(jì)算流體力學(xué)以其能準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜的幾何模型甚至理論分析計(jì)算所不能求解的三維復(fù)雜模型,越來(lái)越廣泛地被用于工程優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此本研究作者將利用計(jì)算流體力學(xué)方法分析水潤(rùn)滑軸承的特性,將對(duì)人們了解各種參數(shù)對(duì)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)和水動(dòng)力特性的影響提供幫助,為水潤(rùn)滑軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)和選型提供參考,大大地縮短設(shè)計(jì)周期和節(jié)省設(shè)計(jì)試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。1船舶管道軸承的數(shù)學(xué)模型1.1通用控制微分方程船舶艉管軸承為典型的液體動(dòng)壓徑向滑動(dòng)軸承。描述其流體流動(dòng)的N-S方程為:?ρ?t+??(ρu)=0(1)?ρ?t+??(ρu)=0(1)ρ?u?t+ρ(uρ?u?t+ρ(u·?)u=-?p+??)u=??p+?·τ+fg(2)ρ?h?t+ρ(uρ?h?t+ρ(u·?)h=-??)h=??·q+[?p?t+(u??)p]+Φ(3)q+[?p?t+(u??)p]+Φ(3)Φ=12τΦ=12τ·def(u)(4)def(u)=12[?u+(?u)Τ](5)def(u)=12[?u+(?u)T](5)連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程等都服從一個(gè)通用的微分方程,用?表示因變量,通用的控制微分方程是:??t(ρ?)+div??t(ρ?)+div(ρu?)=div(Γgrad?)+S(6)其中Γ是擴(kuò)散系數(shù),?是源項(xiàng)。對(duì)于特定意義的?,具有特定的量Γ和S。上述通用微分方程中的4項(xiàng)分別是不穩(wěn)定項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)以及源項(xiàng)。因變量可以代表各種不同的物理量,如化學(xué)組成的質(zhì)量分量、焓或溫度、速度分量、紊流動(dòng)能或紊流的長(zhǎng)度尺度。根據(jù)文獻(xiàn)所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸承摩擦熱源計(jì)算方法計(jì)算特定轉(zhuǎn)速下的總傳熱量,將熱流量均勻分布至軸表面,入口溫度設(shè)為308K,除旋轉(zhuǎn)墻面外所有壁面均設(shè)為等溫,且溫度為308K。按照傳統(tǒng)的流動(dòng)狀態(tài)的判斷方法,水潤(rùn)滑軸承內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為湍流。1.2邊界條件假設(shè)湍流模型的數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性受到數(shù)值模擬過(guò)程中各種因素影響。首先采用了湍流模型對(duì)充分發(fā)展管流的湍流流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。研究對(duì)象為二維軸對(duì)稱管內(nèi)流動(dòng),D為管內(nèi)直徑,L為計(jì)算范圍的長(zhǎng)度。在此計(jì)算中,L/D=150。通過(guò)流管直徑D以及中心線速度Uc所算得的雷諾數(shù)近似等于7000(用平均速度Ub算得的雷諾數(shù)等于5300和用剪切速度Uτ算得的雷諾數(shù)等于360時(shí)的計(jì)算結(jié)果)。在管壁上,對(duì)于所有的速度均為無(wú)滑移邊界條件,速度大小為0。由于此處考慮的充分發(fā)展的管流與流動(dòng)的方向是一致的,所以進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究的計(jì)算領(lǐng)域必須足夠長(zhǎng)。計(jì)算分析時(shí),選擇非均勻網(wǎng)格結(jié)構(gòu),在靠近墻邊界處的網(wǎng)格細(xì)化以解決墻邊界處速度的突變。數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究表明,當(dāng)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)大于50萬(wàn)時(shí),模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)數(shù)值模擬研究的結(jié)果沒(méi)有影響。所有變量均假設(shè)關(guān)于流管中心線對(duì)稱。固體邊界均被假設(shè)為無(wú)滑移邊界,在墻邊界處的平均軸向速度以及湍流動(dòng)能均為0。1.2.1管內(nèi)湍流流動(dòng)平均流動(dòng)性質(zhì)對(duì)比分析將預(yù)測(cè)結(jié)果與Hreyna(低雷諾數(shù)k-ε湍流模型)和Eggels等(直接數(shù)值模擬)的結(jié)果進(jìn)行了比較。表1給出了通過(guò)不同的數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的一些管內(nèi)湍流流動(dòng)平均流動(dòng)的性質(zhì)。表1中,Ub為平均速度,Ub=2π∫R0rU(r)drπR2Ub=2π∫R0rU(r)drπR2;Uc為中心線速度;Rec為基于中心線速度的雷諾數(shù);Reb為基于平均速度的雷諾數(shù);Rez為基于摩擦速度的雷諾數(shù);Cf為摩擦因數(shù)。一些平均速度的特征通過(guò)長(zhǎng)度比例求得:變形厚度:δ*(2R-δ*)=2∫R0r(1-U(r)Uc)dr;動(dòng)量厚度:θ*(2R-θ*)=2∫R0rU(r)Uc(1-U(r)Uc)dr,G=Uc(Η-1)uzΗ。圖1給出了不同模型的湍流動(dòng)能的對(duì)比。比較結(jié)果表明用Low-Re湍流模型對(duì)圓管內(nèi)的湍流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。2計(jì)算模型和邊界條件的定義2.1雙軸軸承軸頸直徑和長(zhǎng)度本文作者旨在比較全開(kāi)槽水潤(rùn)滑軸承和半開(kāi)槽水潤(rùn)滑軸承在相同偏心率下的潤(rùn)滑狀態(tài)和水動(dòng)力特性,其計(jì)算模型如圖2和圖3所示。兩軸承軸頸直徑均為290mm,軸承直徑為291mm,間隙為0.5mm,軸承長(zhǎng)度均取為200mm。取相同的偏心率x=0.67,相對(duì)間隙為0.165mm。以軸承內(nèi)表面圓圓心作為坐標(biāo)原點(diǎn),全開(kāi)槽軸承均勻開(kāi)有16個(gè)軸向槽(見(jiàn)圖2),而半開(kāi)槽軸承沿軸瓦上表面連續(xù)布置9個(gè)軸向槽(如圖3所示)。2.2入口壓力邊界如圖2和圖3所示,求解區(qū)域的邊界由入口邊界、出口邊界、壁面邊界和旋轉(zhuǎn)墻邊界4部分組成。(1)入口邊界設(shè)為速度入口。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定供水量并計(jì)算入口速度。(2)出口邊界定義為壓力出口。(3)計(jì)算模型的外圍定義為壁面邊界,采用粘性無(wú)滑移條件,并假定沒(méi)有質(zhì)量交換。(4)本次研究工況均為軸頸圍繞軸頸中心旋轉(zhuǎn),故將軸頸內(nèi)壁均設(shè)置為旋轉(zhuǎn)墻面,并給定旋轉(zhuǎn)速度為360r/min,軸的熱邊界條件為恒熱流密度。3數(shù)值計(jì)算和分析3.1數(shù)值模擬計(jì)算由于軸承的最小間隙只有0.165mm,網(wǎng)格的合理分配與否直接影響到數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。為了研究網(wǎng)格的疏密對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響,本文作者以半開(kāi)槽軸承為研究對(duì)象,分別對(duì)該模型結(jié)點(diǎn)數(shù)為80萬(wàn)和100萬(wàn)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。沿軸向取從入口到出口的一條直線,該直線上的速度分布和溫度分布趨勢(shì)的比較如圖4和圖5所示。從圖4和圖5可明顯看出,兩直線幾乎完全重合,所以網(wǎng)格分布的疏密程度對(duì)流場(chǎng)內(nèi)軸向速度和溫度的計(jì)算結(jié)果影響很小,在允許的誤差范圍內(nèi),可將其影響忽略。3.22種類型水潤(rùn)滑軸承壓力分布及比較本文作者通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法比較了全開(kāi)槽結(jié)構(gòu)和半開(kāi)槽結(jié)構(gòu)的船舶艉管水潤(rùn)滑軸承內(nèi)部流場(chǎng)的溫度分布和壓力分布。數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。通過(guò)分析軸承內(nèi)的溫度分布可以看到半開(kāi)槽軸承溫度較高,從而說(shuō)明軸向凹槽對(duì)于軸承的冷卻起著決定性的作用。半開(kāi)槽軸承高溫分布區(qū)域較為集中(見(jiàn)圖7),該區(qū)域?yàn)樽钚￠g隙及其附近的區(qū)域。由圖6可見(jiàn),全開(kāi)槽軸承最高溫度和最低溫度相差不到1℃,可見(jiàn)全開(kāi)槽軸承冷卻效果較好。如圖8和圖9所示,2種不同結(jié)構(gòu)的水潤(rùn)滑軸承壓力大小及壓力分布均存在較大差異,半開(kāi)槽軸承軸頸壓力遠(yuǎn)大于全開(kāi)槽軸承軸頸壓力。如圖9所示,下半部分光滑的半開(kāi)槽軸承有一個(gè)連續(xù)的壓力分布,允許水力膜產(chǎn)生連續(xù)的動(dòng)壓力,使得軸承的負(fù)載能力較高。這種連續(xù)的壓力分布,允許下半部分光滑的軸承在較低的速度下獲得水力潤(rùn)滑。而下半部分開(kāi)槽的軸承壓力分布是不連續(xù)的,如圖8所示,水力膜產(chǎn)生較低的動(dòng)壓力,使得軸承的負(fù)載能力較低。結(jié)合圖7和圖9可看出,下半部分光滑的半開(kāi)槽軸承,下半部分有利于最佳水力膜的形成,使得軸承的負(fù)載能力增加;上半部分能使充足的水流過(guò)軸承,以維持水力