计入空化效应的水润滑径向滑动轴承数值模拟研究

摘要

对水润滑进行理论与应用研究，可以为以水为润滑介质的各种摩擦副以及各种环保型机械的开发提供理论基础和参考依据，并可以解决机械设备因润滑油泄漏而造成的生态环境污染的问题、净化和保护人类赖以生存的环境，为建设可持续发展的资源节约型和环境友好型社会服务。
　　水润滑轴承的摩擦学性能受轴承材料、结构、工况等影响很大。如何选择和设计水润滑轴承的材料、结构，并使之在各种工况下具有较低的摩擦因数，同时又有较高的承载能力，目前尚无满意的方法。与油润滑相比，水润滑轴承水膜厚度较薄，热弹流润滑数值计算不易收敛；而且水润滑轴承极易从层流状态进入湍流状态和产生空化现象。另外，水润滑轴承开设了多个导水槽，其流体力学模型的建立比较复杂，因此对其润滑机理的研究也还没有取得重要进展和突破。
　　计入了水的空化效应，本文对水润滑径向轴承进行热弹流润滑分析和湍流状态的动力润滑分析，分析了水润滑径向轴承的润滑性能。本文的主要研究内容和结论如下：
　　使用Reynolds空化边界条件，构造热弹流润滑基本方程组，并使用多重网格算法对热弹流润滑基本方程组求解，分析载荷、转速、轴瓦材料的力学性能对水润滑轴承的润滑性能的影响。给出不同弹性模量、不同载荷和转速下的无量纲压力曲线、无量纲膜厚曲线、最高温升和温度分布图。结果表明：在满足载荷、转速、摩擦磨损性能等时，应选择弹性模量小的材料；在载荷很大时，应选择弹性模量大的材料；弹性模量很大的轴瓦材料，材料改性重点是增加其自润滑性能和热传导系数。
　　基于FLUENT软件包，对湍流润滑状态下水润滑径向滑动轴承进行数值模拟研究，寻求适合水润滑径向滑动轴承的湍流模型及其壁面函数法和空化模型。对具有直导水槽的水润滑径向滑动轴承进行数值模拟，分析其流场和润滑性能。结果表明：湍流状态下，对水润滑轴承进行数值模拟时，使用增强壁面函数法的三种k–ε湍流模型和Schnerr and Sauer空化模型或Zwart-Gerber-Belamri空化模型计算求解的压力场与试验结果最吻合。在处于全膜润滑状态时，水润滑轴承开了直导水槽后，承载力下降，摩擦系数升高；导水槽越多，摩擦力越大，承载力越小。导水槽中除了有一个接近导水槽尺寸的漩涡外，还有其它的较小的漩涡存在。轴颈在轴向对称面上的周向压力曲线存在一个主压力峰和数个很小的独立压力峰。水润滑轴承的空化主要发生在轴颈表面。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 选题背景及意义

1.3 水润滑轴承国内外研究现状

1.4 空化现象及其研究现状

1.5 本文研究主要内容

1.6 本章小结

第二章 使用Reynolds空化边界的水润滑轴承热弹流润滑分析

2.1 引言

2.2基本方程

2.3 方程的无量纲化

2.4 基本方程组的离散

2.5 热弹流的多重网格算法

2.6 计算结果与分析

2.7 本章小结

第三章 使用Half-Sommerfeld空化边界条件的水润滑轴承湍流润滑模拟

3.1 引言

3.2 湍流模拟方法

3.3 水润滑轴承流场模型的建立和计算

3.4 不考虑空化影响的水润滑轴承数值模拟结果与讨论

3.5 本章小结

第四章 计入空化效应的水润滑轴承湍流润滑模拟

4.1 引言

4.2 空化研究的数学模型

4.3 流场计算的参数设置

4.4 考虑了空化影响的水润滑轴承计算结果分析

4.5 湍流状态下水润滑轴承性能随工况参数的变化

4.6 本章小结

第五章 复杂结构的水润滑轴承实例分析

5.1 引言

5.2 具有直导水槽的水润滑轴承结构和模型建立

5.3具有直导水槽的水润滑轴承流场速度分布

5.4具有直导水槽的水润滑轴承流场压力分布

5.5具有直导水槽的水润滑轴承流场汽含率

5.6具有直导水槽的水润滑轴承性能随长径比的变化

5.7 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文总结

6.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间已发表和录用的学术论文

致 谢