轴承腔油气两相介质流动和热效应理论分析与试验研究

发布时间：2017-10-03 22:03

  本文关键词：轴承腔油气两相介质流动和热效应理论分析与试验研究

  更多相关文章： 轴承腔 油滴 轨迹 气相流场 相似准则 概率密度函数 含率 沉积

【摘要】：轴承腔是包纳航空发动机转子支点轴承的容腔,起着收集润滑油、将轴承与高温环境以及灰尘污物等隔离的重要作用。由于处在二次空气系统和润滑系统的界面位置,轴承腔存在着“油滴-空气-油膜”共存的复杂的油气两相流动和换热状态,导致轴承腔润滑和换热设计面临诸多困难和挑战,因为轴承腔润滑和换热设计很大程度上依赖于对腔内油气两相流动和换热状态的准确理解和预测。近年来先进航空燃气涡轮发动机高转速、大推力、小体积以及轻重量的发展趋势对包括轴承腔等机械系统的设计也提出了更高的要求。然而受多种因素的制约,目前轴承腔润滑与换热状态的研究水平与工程设计需求还有很大的差距。在这一背景下,本文关注作为轴承腔润滑与换热研究的基础工作、轴承腔油气两相流动和换热问题研究,重点包括油滴生成、运动和沉积特征以及油膜流动等几方面的研究,具体研究内容如下。(1)根据轴承腔油滴形成及运动过程的特点与旋转喷雾器中雾滴形成和运动特点存在着显著的相似性,本文设计了旋转圆盘腔试验装置的总体结构。然后进行了试验装置子系统的设计和零部件选配,并确定了油矢数量、油滴轨迹和速度以及腔壁油膜宽度等参数的试验测量方案。在试验装置上开展了相关试验,为本文后续工作提供了基础。(2)本文开展了旋转圆盘甩射油矢及油滴特征的理论分析。首先确定了旋转圆盘上油膜的离心力,并根据牛顿粘性定律建立了油膜力学平衡方程,从而计算了油膜流动的厚度和速度分布。之后讨论了旋转圆盘边缘油膜波动及破裂问题,借助波动油膜受力分析确定了油膜破碎临界条件方程,最终确定了油膜破碎形成的油矢数量以及油矢进一步断裂形成的油滴的平均直径。借助油矢数量的试验数据验证了旋转圆盘甩射油矢及油滴特征的理论分析。(3)为提供油滴运动和热状态分析中所需的输入条件,开展了轴承腔气相流动数值计算和相似性分析。首先确定了轴承腔气相流动和换热的连续性方程、动量方程、能量方程以及湍流方程;构建了气相介质流场的离散网格以及确定了边界条件,从而建立了气相流动数值模型,求解了气相流动的速度、压力和温度。根据量纲分析的有关方法推导了轴承腔气相流动相似准则,并根据气相流动数值计算结果拟合了轴承腔气相介质流动速度和温度分布的无量纲相似准则关系式。以他人研究的试验结果评估了文中提出的轴承腔气相介质流动速度分布关系式的误差。(4)在上述工作的基础上,开展了轴承腔油滴运动及其与空气相能量传递分析。首先考虑了油滴与空气的对流换热,嵌入油滴能量方程确定了油滴运动和热状态方程组,并构建了瞬时步进法求解油滴轨迹、速度以及温度的计算流程。确定了轴承腔油滴尺寸分布的数学描述函数,并利用相关试验数据建立了油滴尺寸分布与轴承腔结构及工况参数间的关系。之后,将油滴直径范围进行离散,获得了各直径区间油滴的质量、数量以及油滴运动轨迹、速度和温度等,进一步计算了轴承腔中油滴相体积和质量含率以及油滴相与空气相的动能和热能传递量。并利用旋转圆盘腔试验装置测量的油滴轨迹、速度及油滴相体积含率的试验结果验证了理论分析模型的可靠性。(5)分析了轴承腔中油滴与腔壁碰撞的沉积和飞溅现象,并确定了油滴与腔壁碰撞沉积准则,给出了油滴与腔壁碰撞的“粘附”、“反弹”、“扩散”及“破裂”四种不同状态时油滴碰撞腔壁的质量、动量和热量沉积率。进而建立了考虑油滴尺寸分布条件的轴承腔轴承甩射油滴碰撞腔壁沉积特征计算模型,获得了沉积油膜质量、动量和热量。讨论了轴承腔若干结构和工况参数对油滴与腔壁碰撞沉积特征的影响。根据轴承腔壁面油膜流动的力学平衡和质量守恒条件计算了油膜的厚度、平均速度和温度。(6)提出了将轴承腔中油滴和空气混合物等效为均相介质的处理方式,构建了描述轴承腔油气两相流动和换热问题的均相介质/油膜分层流动和换热数值模型,实现了轴承腔油气两相流动的速度、压力和温度的计算。设计制造了轴承腔油气两相流动和换热试验装置,测量了轴承腔中均相介质以及油膜的温度和压力,支持了轴承腔油气两相流动和换热数值分析的合理性。本文的研究工作进一步充实了轴承腔油气两相流动和换热的研究内容。构建了轴承腔轴承雾化润滑油矢和油滴特征的理论分析方法;提出的借助相似性方法构建气相介质流动分布模型能够提升分析的适用性和便捷性且降低了计算的工作量;将油滴与空气对流换热分析嵌入油滴运动分析,并在分析中反映了油滴温变对油滴和空气物性参数的影响,这样的处理方式一方面提升了油滴轨迹和速度分析的精度,另一方面借助油滴热状态分析首次开展了油滴相与空气相热量传递以及油滴碰撞腔壁沉积热量分析。本文的研究工作在一定程度上完善了轴承腔油气两相流动和换热研究体系。
【关键词】：轴承腔 油滴 轨迹 气相流场 相似准则 概率密度函数 含率 沉积
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V231
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第1章 绪论13-29
• 1.1 研究背景及选题意义13-18
• 1.1.1 航空发动机轴承腔的功能和典型结构13-16
• 1.1.2 轴承腔油气两相流动及换热现象16-17
• 1.1.3 轴承腔油气两相流动研究的意义17-18
• 1.2 研究现状及存在的问题18-25
• 1.2.1 轴承腔油气两相流动及换热研究现状18-23
• 1.2.2 其他相关技术的研究现状23-24
• 1.2.3 存在的问题24-25
• 1.3 本文主要研究内容25-29
• 第2章 旋转圆盘腔油滴生成及运动特征试验研究29-47
• 2.1 引言29-31
• 2.2 试验装置及其各系统构成31-39
• 2.2.1 试验装置的总体结构31-32
• 2.2.2 试验装置的子系统及零部件32-37
• 2.2.3 旋转圆盘腔试验装置的功能和性能参数37-38
• 2.2.4 试验装置的操作规范38-39
• 2.3 试验测量原理及试验流程39-43
• 2.3.1 旋转圆盘油矢数量测量原理39
• 2.3.2 油滴直径测量原理39
• 2.3.3 油滴运动速度及轨迹测量原理39-41
• 2.3.4 腔壁油膜宽度测量原理41
• 2.3.5 油滴相体积含率测量原理41-42
• 2.3.6 试验流程42-43
• 2.4 试验结果及讨论43-45
• 2.5 本章小结45-47
• 第3章 旋转圆盘甩射油矢及油滴特征分析47-69
• 3.1 引言47
• 3.2 旋转圆盘油膜流动分析47-55
• 3.2.1 旋转圆盘油膜流动分析模型47-53
• 3.2.2 计算结果及讨论53-55
• 3.3 旋转圆盘甩射油矢及油滴分析55-68
• 3.3.1 旋转圆盘油矢数量分析的相关说明55-57
• 3.3.2 旋转圆盘油矢数量分析计算模型57-62
• 3.3.3 油矢直径、波长及破碎油滴的直径62-63
• 3.3.4 计算结果及讨论63-67
• 3.3.5 理论分析的试验验证67
• 3.3.6 旋转圆盘油滴直径计算通式67-68
• 3.4 本章小结68-69
• 第4章 轴承腔气相介质流动数值计算及相似性分析69-87
• 4.1 引言69
• 4.2 轴承腔气相流场数学描述69-70
• 4.2.1 轴承腔中气相介质流动基本控制方程69-70
• 4.2.2 湍流方程70
• 4.3 气相介质流动的数值分析70-73
• 4.3.1 轴承腔气相介质流场结构70-71
• 4.3.2 气相介质流场计算区域的离散71-72
• 4.3.3 边界条件及求解控制72-73
• 4.4 轴承腔气相介质流动相似性分析73-77
• 4.4.1 轴承腔气相介质流动相似准则73-76
• 4.4.2 气相介质速度、温度分布及壁面剪切应力计算通式76-77
• 4.5 计算结果及讨论77-86
• 4.5.1 网格独立性验证77
• 4.5.2 气相介质流动的数值计算结果77-83
• 4.5.3 气相介质速度、温度分布及壁面剪切应力计算通式83-85
• 4.5.4 气相介质速度分布通式的试验验证85-86
• 4.6 本章小结86-87
• 第5章 轴承腔油滴运动及油滴相与空气相能量传递分析87-109
• 5.1 引言87
• 5.2 单个油滴运动和热状态分析87-90
• 5.2.1 单个油滴运动和热状态的数学描述87-89
• 5.2.2 油滴速度和温度方程的离散求解89-90
• 5.3 轴承腔油滴相尺寸的分布90-92
• 5.3.1 轴承腔油滴质量分布密度函数90
• 5.3.2 均匀度指数与结构和工况参数的关系90-92
• 5.4 油滴相含率及油滴相与空气相能量传递分析92-96
• 5.4.1 油滴的生成频率92-93
• 5.4.2 油滴相含率分析93-94
• 5.4.3 油滴相与空气相能量传递分析94-96
• 5.5 计算结果及讨论96-108
• 5.5.1 单个油滴的运动和热状态96-101
• 5.5.2 轴承腔中油滴相含率101-103
• 5.5.3 油滴相与空气相能量传递量103-105
• 5.5.4 理论分析的验证105-108
• 5.6 本章小结108-109
• 第6章 轴承腔油滴与腔壁碰撞沉积及油膜流动分析109-129
• 6.1 引言109
• 6.2 油滴与腔壁碰撞沉积及油膜流动分析模型109-117
• 6.2.1 油滴与腔壁碰撞沉积准则109-110
• 6.2.2 单个油滴与腔壁碰撞的沉积质量、动量和热量分析110-114
• 6.2.3 沉积油膜质量、动量和热量分析114-116
• 6.2.4 油膜的速度、厚度和温度分析116-117
• 6.3 计算结果及讨论117-128
• 6.3.1 单个油滴与腔壁碰撞的沉积质量、动量和热量117-121
• 6.3.2 沉积油膜质量、动量和热量121-125
• 6.3.3 油膜厚度、速度和温度125-128
• 6.4 本章小结128-129
• 第7章 轴承腔油气两相流动和换热数值模拟及试验129-147
• 7.1 引言129
• 7.2 轴承腔油气两相流动和换热数值分析129-134
• 7.2.1 轴承腔油气两相流动和换热的数学描述129-131
• 7.2.2 轴承腔油气两相流动和换热数值模型131-134
• 7.3 轴承腔油气两相流动和换热试验装置及试验测量134-138
• 7.3.1 试验装置的总体结构134
• 7.3.2 试验装置子系统134-138
• 7.3.3 试验测量方案138
• 7.4 计算结果及试验验证138-145
• 7.4.1 轴承腔油气两相流动和换热计算结果138-143
• 7.4.2 数值分析的试验验证143-145
• 7.5 本章小结145-147
• 第8章 结论与展望147-151
• 8.1 本文研究工作总结147-148
• 8.2 本文的创新点148-149
• 8.3 对今后研究工作的展望149-151
• 参考 文献151-161
• 致谢161-163
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况163-166

，

本文编号：966942