空化泡演化的动力学特性及其在滑动轴承中的应用研究

摘要

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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究动态

1．2．1 流体空化及空泡动力学理论

1．2．2 流体动力润滑理论

1．2．3 滑动轴承油膜空化现象

1．2．4 考虑空化因素的滑动轴承研究

1．3 本文主要研究内容

第二章 流体空化初生以及变压力场中空化泡演化特性

2．1 引言

2．2 流体空化初生的条件及影响因素

2．2．1 流体空化初生的条件

2．2．2 空化初生的影响因素

2．3 空泡动力学理论

2．3．1 空泡的临界压强及其稳定性

2．3．2 空泡动力学基本方程

2．3．3 单空化泡演化特性的数值求解方法

2．4 单空化泡在变压力场中的演化特性研究

2．4．1 空化泡在线性压力场中的演化特性

2．4．2 空化泡在非线性压力场中的演化特性

2．4．3 空化泡在楔形间隙动压流场中的演化特性

2．5 本章小结

第三章 滑动轴承流体动力润滑理论及数值求解模型

3．1 引言

3．2 径向滑动轴承的动压润滑理论

3．2．1 滑动轴承Reynolds描述

3．2．2 滑动轴承Reynolds方程的有限差分法求解

3．3 滑动轴承空化流场CFD数值求解模型

3．3．1 CFD两相流求解模型选取

3．3．2 CFD空化模型

3．4 滑动轴承几何模型建立与网格划分

3．4．1 模型基本假设条件

3．4．2 滑动轴承间隙几何模型以及基本参数

3．4．3 滑动轴承模型网格划分及独立性检验

3．5 滑动轴承CFD模型合理性分析

3．6 本章小结

第四章 滑动轴承空化流场特性研究

4．1 引言

4．2 滑动轴承CFD模型求解参数设置

4．3 滑动轴承空化流场特性影响因素作用机理模型

4．4 润滑介质物性参数的影响分析

4．4．1 NCG含量对滑动轴承空化流场特性影响

4．4．2 空化压力对滑动轴承空化流场特性影响

4．4．3 黏度对滑动轴承空化流场特性影响

4．5 运行工况的影响分析

4．5．1 转速对滑动轴承空化流场特性影响

4．5．2 偏心率对滑动轴承空化流场特性影响

4．5．3 供油压力对滑动轴承空化流场特性影响

4．6 结构参数的影响分析

4．6．1 相对间隙对滑动轴承空化流场特性影响

4．6．2 宽径比对滑动轴承空化流场特性影响

4．7 本章小结

第五章 滑动轴承动力特性影响因素数值研究

5．1 引言

5．2 油膜的刚度和阻尼的动力学描述及数值计算方法

5．2．1 油膜的刚度系数和阻尼系数的动力学描述

5．2．2 油膜的刚度系数和阻尼系数的数值计算方法

5．2．3 CFD动网格模型

5．3 滑动轴承动力特性系数求解及准确性验证

5．3．1 刚度系数和阻尼系数的求解

5．3．2 动力特性系数求解模型可靠性验证

5．4 三种因素对滑动轴承动力特性系数的影响分析

5．4．1 润滑油中溶解不凝结气体对动力特性系数的影响

5．4．2 转速对油膜动力特性系数的影响

5．4．3 转子偏心率对油膜动力特性系数的影响

5．5 本章小结

第六章 结论及展望

6．1 研究内容总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

在读硕士期间发表的论文