微观表面形貌对螺旋槽液膜密封空化发生的影响

发布时间：2020-11-03 08:39

　　 为探索微观表面形貌对液膜密封空化的影响,基于满足质量守恒的JFO空化模型及坐标变换,建立考虑微观表面形貌的双坝区螺旋槽液膜密封数学模型;采用有限体积法离散求解控制方程,综合分析表面粗糙度、周向波度和径向锥度对螺旋槽液膜密封空化发生的影响规律。结果表明:相比而言,密封面计入微观表面形貌后,摩擦副液膜中空穴区发生位置分散且形状不规则;以空化面积比为判据,较大表面粗糙度对液膜空化促生虽起到积极作用,但数据较小,可忽略不计;锥度对液膜中空穴促生和抑制影响有限,波幅的增加显著促进液膜中空穴的发生;高频波数时,正锥度有利于降低液膜空化面积比,抑制空穴。
【部分图文】：

对比图3(a)和图3(b)发现,计入微观表面形貌后,整个单周期计算域液膜中空穴发生明显变化,即处于波度膜厚发散区域的螺旋槽区内的空穴发生面积增大并向台区和坝区延伸;处于波度膜厚收敛区域的螺旋槽区内的空穴发生面积明显减小,尤其是液膜重生位置沿螺旋方向朝外槽坝边界偏移。显然,微观表面形貌,尤其是周向波度的影响,使得不同螺旋槽区空穴发生面积存在差异,而且空穴区向台区和坝区扩展。这表明,微观表面形貌的综合作用及其与螺旋槽的叠加,显著影响液膜密封空穴分布规律。因液膜密封计入微观表面形貌后,计算域液膜中空穴区发生位置分散且形状不规则,文中以摩擦副密封面间整个流体膜中空化面积比为判据,综合分析表面粗糙度、周向波度和径向锥度对液膜中空穴发生的影响规律。其中,表面粗糙度Ra为0、0.4、0.8、1.6 μm、量纲一波幅A范围0.3～3.0;锥度表征量B范围-3.0～3.0;波数为5、10、20、40。

由图4可知,不同量纲一波幅A和不同量纲一锥度B-1时,粗糙表面表征Ra为0.4 μm时对应的液膜中空化面积比δcav与光滑平面对应值基本相同;当Ra>0.4 μm时,随着Ra值的增加,空化面积比δcav呈增加趋势。当Ra值分别为0.8和1.6 μm时,相比光滑平面,空化面积比δcav的最大增幅分别为0.94%和3.23%。这表明,相对光滑平面,较大膜厚时,较小表面粗糙度对液膜空穴促生影响微乎其微;而较大表面粗糙度对液膜空穴促生虽起到积极作用,但数值仍较小,可忽略不计。3.2 波度波幅和锥度的影响

图5示出了表面粗糙度Ra=0.4 μm、波数K=20,波度波幅和锥度对液膜中空穴发生的影响。由图5(a)可知,不同量纲一锥度B-1时,液膜空化面积比δcav随量纲一波幅A由0.3至3.0呈近似线性增加趋势,这与非开槽液膜密封中波度对空化面积比的影响规律不尽相同[9],这可能是膜厚较大或波度和螺旋槽共同作用的结果。由图5(b)可知,不同量纲一锥度A时,液膜空化面积比δcav随量纲一锥度由-3.0至3.0时呈线性降低趋势,当A分别为0.30、0.50、0.75和1.00时,δcav的降幅分别为6.22%、8.85%、11.03%和9.44%。对比从负锥度至正锥度的总体跨度范围与密封面间基准膜厚(h0=12 μm)大小,δcav的平均降幅较小。这表明,较大膜厚时,锥度对液膜中空穴促生和抑制影响有限,而波幅的增加显著促进液膜中空穴的发生。
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