空化泡演化的动力学特性及其在滑动轴承中的应用研究

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在大型旋转机械中,由于油润滑滑动轴承承载能力高、使用寿命长、加工维修方便,因而被广泛应用。润滑油作为联结转动部分和静止部分的纽带,不仅是提供承载力的源泉,也是诱发转子系统失稳的根源。随着研究方法和技术的进步,研究者发现润滑油在轴承微小流道间隙(其尺寸量级为0.1~0.5mm)发散楔内较低压力产生汽化(空化),形成气液两相共存的流态,这种微观的流动特性直接决定着轴承宏观动静力学特性,并影响着设备的运行性能。本文在前人研究的基础上,从流体空化、空化泡演化的动力特性的角度出发,建立空化两相流数值计算模型,该模型结合N-S方程和空泡动力学中的R-P模型,求解滑动轴承空化流场,可以准确描述负压区油膜的破裂和重新形成,且取得较准确的计算结果。  本文首先从流体空化理论出发,给出了流体空化初生的基本条件及其影响因素;在空泡动力学方面,借助空泡动力学方程,研究了空泡处在变压力场中(包括线性变化、正弦变化以及滑动轴承油楔发散区域压力场)演化特性;同时,结合径向滑动轴承的流体动力润滑理论,建立了滑动轴承油膜空化流场的数值求解模型;通过有限差分法、CFD模型以及文献中所给模型的求解结果对比,可以验证本文CFD数值求解模型的合理性。  提出了滑动轴承空化流场特性影响因素作用机理模型;并采用空化两相流数值计算模型,进一步分析了润滑油的物性参数(黏度、汽化压力、溶解的不凝结气体含量)、运行条件(转速、偏心率、供油压力),以及轴承的结构参数(长径比、间隙)对轴承流道间隙的空化流场特性、静力承载特性影响情况;发现这些条件的改变可以影响滑动轴承的动压效应以及空化效应,而且这两者通过一定的“反馈机制”相互制约,进而影响流场特性和静力承载特性。  同时,借助于CFD求解流体空化流场特性方面的优势,采用自定义程序和动网格技术,可以通过微扰动方法求解滑动轴承的动力特性系数。并进一步研究了转速、偏心率,以及润滑油中不凝结气体含量三个重要因素对滑动轴承刚度系数、阻尼系数的影响,发现刚度系数和阻尼系数随着偏心率的增大而呈非线性增大;油膜的刚度系数随着转速的增大呈线性增长,而阻尼系数对转速的增大不太敏感;当不凝结气体含量较低时,其对刚度系数和阻尼系数影响不大,而不凝结气体含量较高时,其刚度系数和阻尼系数会出现非线性变化现象,阻尼系数甚至会出现负值,这表明不凝结气体含量较高时,可能会引起油膜失稳。
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