轴承腔内油气两相流动与换热特性研究

论文摘要

随着航空发动机整机性能的提高,主轴支点处的轴承腔热负荷也逐渐增加。除轴承滚动体发热量增加外,高温环境通过腔壁和轴承支座等结构对腔内滑油和转子的加热量也明显增加,曾出现腔内滑油过热和着火等问题,直接影响轴承工作性能和发动机可靠性。因此,开展轴承腔内气液两相流动与换热的研究,探索气液混合润滑介质的流动与换热规律是十分必要的。本文对国内外相关研究现状和发展趋势进行了详细分析。以某型发动机后支点轴承腔为研究对象,建立了简化模型的旋转试验台。通过试验研究获得了低转速若干工况轴承腔通风口出气比例和回油口滑油温升随转速的变化规律。应用Fluent软件,采用欧拉双流体模型和代数滑移混合多相流模型分别配合标准k ?ε及RNG k ?ε湍流模型,对试验工况进行数值模拟。与试验结果对比发现:代数滑移混合多相流模型与RNG k ?ε湍流模型配合,能够给出更为合理的轴承腔内气液两相流计算结果。使用该方法,对复杂几何结构轴承腔的若干真实工况进行了数值模拟,获得了主轴转速、密封空气泄漏量及供油量对出油比例与出油温升的影响规律。为了使相关的研究结果和计算方法被工程设计人员方便使用,本文借鉴参数化设计的思想,开发了轴承腔参数化分析平台。该平台集成了Gambit及Fluent软件,能够实现参数化建模、快速划分网格与计算以及计算结果的管理等功能,简化了结构设计者操作计算软件的步骤。由于高转速下轴承腔内壁将出现流动方向与主轴转动方向相同的流动液膜,因此,本文对S.Witting等人建立的轴承腔内壁油膜运动模型进行了详细的推导,开发出相应的计算程序,使用该程序对A.Glahn等人的若干试验工况进行计算,计算结果与试验结果符合较好,表明计算程序的正确,并为后续发展油膜换热模型打下了基础。本文的研究结果,可为轴承腔热设计及航空发动机滑油系统设计提供理论指导和技术储备。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文的研究背景与意义
• 1.2 轴承腔基本结构形式与改进简介
• 1.3 航空发动机轴承腔的研究现状
• 1.3.1 国外研究概况
• 1.3.2 国内研究概况
• 1.3.3 国内外研究分析
• 1.4 参数化设计的研究现状
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 轴承腔简化模型试验系统设计与试验研究
• 2.1 试验系统设计
• 2.1.1 试验目的
• 2.1.2 试验部件设计
• 2.1.3 试验系统介绍
• 2.2 试验研究
• 2.2.1 转速及气体泄漏量变化对出气比例的影响规律
• 2.2.2 转速及供油量变化对回油口出油温升的影响规律
• 2.3 试验误差分析
• 2.3.1 误差的分类
• 2.3.2 误差的估算
• 第三章 轴承腔内两相流动与换热的数值模拟
• 3.1 气液两相流动数值模拟方法分类
• 3.2 气液两相流动数值计算模型
• 3.2.1 Euler-Euler 双流体模型
• 3.2.2 代数滑移混合多相流模型
• 3.3 简化结构轴承腔内两相流动的数值模拟及试验验证
• 3.3.1 简化结构轴承腔的计算域
• 3.3.2 边界条件及求解参数
• 3.3.3 网格划分
• 3.3.4 计算结果及与试验值的比较
• 3.4 复杂结构轴承腔内两相流动的数值模拟
• 3.4.1 结构简化说明
• 3.4.2 轴承发热量的计算
• 3.4.3 合成航空润滑油的特性及物性参数
• 3.4.4 边界条件及求解参数
• 3.4.5 典型物理场分析
• 3.4.6 工况参数对腔内两相流动与换热的影响规律
• 第四章 轴承腔内两相流动与换热综合分析平台
• 4.1 综合分析平台的总体规划
• 4.2 轴承腔的结构变量
• 4.3 建立轴承腔模型
• 4.3.1 实体建模
• 4.3.2 网格划分
• 4.4 综合分析平台与商用软件的接口设计
• 4.4.1 VC++操纵Gambit
• 4.4.2 VC++操纵Fluent
• 4.5 软件中的数据流及数据管理
• 4.6 软件的主要使用步骤
• 第五章 高转速下轴承腔内壁油膜运动分析
• 5.1 油膜流动模型建立
• 5.1.1 油膜周向速度
• 5.1.2 油膜厚度
• 5.2 数值求解方法与步骤
• 5.2.1 数值微分
• 5.2.2 数值积分
• 5.2.3 求解步骤
• 5.3 计算结果与分析
• 5.3.1 油膜速度剖面
• 5.3.2 油膜平均速度及厚度分布
• 5.3.3 出现回流区域前的速度剖面
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 后期工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录1：试验台部分图纸
• 附录2：Gambit 脚本语句