运动油滴/固体壁面斜碰撞的状态辨识及特征分析

 航空发动机轴承腔油气两相流动与换热研究是轴承腔润滑与换热设计的重要基础工作,而运动油滴与轴承腔壁面的碰撞状态辨识及特征分析是轴承腔油气两相流动与换热研究的组成部分。基于VOF方法建立了运动油滴与固体壁面斜碰撞数值仿真模型,实现了运动油滴与固体壁面斜碰撞状态的数值模拟,分析了碰撞油滴直径、入射角和碰撞速度对沉积油膜铺展长度、油膜堆积厚度和溅射油滴数目等碰撞状态特征参数的影响规律,提出了运动油滴与固体壁面斜碰撞条件下的状态判断准则,并得到了文献的物理试验工作的支持。研究结果表明:随着油滴入射角减小,沉积油膜铺展长度和油膜堆积厚度增大,溅射油滴数目减少;随着碰撞速度和油滴直径的增大,沉积油膜铺展长度和溅射油滴数目均增大,但油膜堆积厚度对应前者呈减小趋势、对应后者仍呈增大趋势。     

轴承腔气相介质流场的理论与试验

采用有限元数值分析和试验研究的方法,研究了航空发动机轴承腔气相介质的压力场和速度场,探讨了转子转速和密封进气量等工况参数对轴承腔气相介质压力和速度分布的影响规律,研究工作表明:轴承腔气相介质压力随着转子转速、无量纲径向坐标、密封进气量的增加而增高;气相介质无量纲切向速度随着转子转速增高而增大,随着密封进气量增大而减小.试验结果表明:随着转子转速和密封进气量的增加,气相介质压力的试验结果与计算结果吻合性均增高.通过计算和试验揭示出的工况参数对轴承腔气相介质压力的影响规律,有助于轴承腔气相介质流动物理特性研究的完整性.      

泛结构条件下轴承腔油气两相流动的模化方法

首先根据热力学、流体力学的基本定理对航空发动机轴承腔油气两相流动的相似性进行了数学推导,获得了弗劳德数、欧拉数、雷诺数、普朗特数和埃克特数等相似准则数,遵循系统几何相似和动力相似等相似准则建立了航空发动机泛结构及工况条件下轴承腔油气两相流动的模化模型;并对实际轴承腔及模化轴承腔的油气两相流场进行了数值求解,模化轴承腔与实际轴承腔无量纲速度、温度和压力分布一致性较好,支持了提出的轴承腔油气两相流动相似准则和模化方法的可靠性.泛结构条件下轴承腔油气两相流动模化方法对于指导轴承腔油气两相流动试验设计及推进理论分析向航空发动机工程设计转化都有一定的参考价值.     

工作参数对航空发动机轴承腔内二相流动的影响

作为航空发动机润滑系统油气二相流的重要区域,主轴承腔的工作参数对内部二相流动的影响对于发动机润滑系统设计具有重要意义。利用DPM壁面液膜模型,采用CFD方法对某型发动机轴承腔简化模型内油气二相流进行了数值计算,计算结果与现有试验数据符合良好;给出了轴承腔在不同主轴转速及不同滑油流量下油膜厚度、空气和油膜速度的分布以及出口速度变化规律。     

航空发动机滑油回油管内的流型识别及含气率预测研究

发动机润滑系统回油管内油气两相介质的流动特性直接影响系统中回油泵及散热器的工作特性。为辨别回油管内油气两相流流型和建立含气率预测关系式,本文搭建了模拟轴承腔回油管流动的实验系统,并依据涡轴发动机回油量及油气比完成了700组不同工况的实验测试。实验空气与滑油流量范围分别为10～200 SL/min与6～37 L/min。本文对实验范围内的管内流型进行了判别,并修正了含气率的预测模型。首先对两种极限工况的压力信号的时序特征、概率密度函数和傅里叶变换进行分析,判定其流型为分层流和弹状流。将流型结果与Mandhane流型图进行对比,显示Mandhane流型图并不能准确预测回油管内的油气两相流流型。其次利用含气率经验关系式进行含气率预测,发现Massena预测模型预测的含气率与实验值更接近,预测结果更准确。分层流的含气率在50%以下,而弹状流的含气率在50%以上。最后根据流型对Nicklin经验关系式进行修正,得到分层流和弹状流对应的分布系数分别为0.848和0.919。     

航空发动机轴承腔内油气两相分布数值计算

主轴承腔是航空发动机润滑系统油气两相流的重要区域,了解滑油及密封空气在腔内的分布预测对于认知腔内两相流动具有重要的意义。利用VOF数值计算模型对某航空发动机轴承腔简化模型内油气两相流进行了数值计算,定义无量纲数β^＋用来分析腔内两相分布。计算结果与现有实验数据符合良好。给出了滑油在腔内的相界面分布,描述了腔内的油膜分布及运动,并且分析了无量纲数β＋在腔内周向分布及出口处随着转速及滑油进口流量的变化规律。     

轴承腔油气两相介质流动与热分析

为获得轴承腔油气两相介质流动与热分析计算方法,探究轴承腔油气两相介质流动换热规律。以某发动机轴承腔结构为对象,运用CFD方法分析轴承腔中两相介质流动速度、温度分布、体积分数和传热系数分布。基于试验获取轴承腔内外不同位置局部温度,利用温度梯度法计算热流获得传热系数。结果表明:两相介质的流动速度随径向高度增大呈现先增大后减小趋势,在无量纲径向高度为0.6时流速最大。轴承腔中转子及壁面之间的区域两相介质的温度随径向坐标增大呈现先减小后增大趋势。轴承腔内滑油主要分布在回油池及轴承腔外壁面上,回油池旁边其剪力分量和重力方向一致区域的油膜较薄,局部传热系数较小,其方向相反区域的油膜较厚,局部传热系数较大。      

复杂旋转盘轴腔两相流动与传热数值模拟

研究了航空发动机空气系统和润滑系统中复杂的旋转盘腔和旋转轴腔内油气两相流动与传热的数值计算方法,分析了其流动传热特性.以典型小型涡扇发动机的风扇轮盘前腔、风扇轮盘后腔、轴流轮盘前腔、前轴承腔、相关连接气路等组成的多进口、多出口的旋转盘轴腔为对象,研究了用Mixture模型和Eulerian模型计算该系统的速度场、压力场、温度场的方法.结果表明:在相同的计算条件下,两种模型计算的速度场基本一致;两者计算的压力场只在轴流轮盘前腔略有差别,Eulerian模型计算的该腔压力约为Mixture模型计算值的93%;Mixture模型得到温度场较高,由Eulerian模型计算的前、后轴承温度分别约为Mixture模型计算值的93%和94%;Mixture模型计算经济性较好,其迭代一步所需时间约为Eulerian模型的63%.      

考虑油气传热传质耦合的轴承腔内壁油膜运动研究

为研究航空发动机轴承腔油气两相流动及内壁面油膜运动特性,建立了腔内油滴-空气双向耦合数学模型和内壁面油膜传热传质运动模型,并对油气流场及不同供油流量下油膜的流动进行计算,获得腔内两相流场特性及内壁面油膜厚度、周向速度分布。结果表明:在所计算工况中,双向耦合计算流场与单向计算结果至少相差10%,因而不可忽略油滴对空气流动的影响;腔内滑油蒸汽质量分数低于0.05%,则空气-油滴之间粘性力产生的拖曳作用是影响流场的主要因素;随着供油流量的增加,油膜厚度及周向速度都呈增加趋势,但与滑油流量的增幅并不成正比。与国外试验数据的对比证明所建数学模型合理且有效。     

高速角接触球轴承腔内气液两相流模拟分析

基于轴承腔内气液两相流流动模型,采用VOF方法和MRF模型对高速角接触球轴承简化模型内润滑油的流动特性进行数值计算,获得腔内速度、压力以及润滑油分布情况。分析轴承转速和润滑油进口流量等参数对油液体积分数的影响,以及轴承腔内润滑油的流动轨迹和润滑油进入腔内的影响机理。结果表明:轴承高速转动阶段,润滑油在滚动体和保持架的搅动作用,在腔内局部形成漩涡不利于润滑油的流动;轴承腔内两相流场的环间压力具有周期性特点,喷射润滑油很难穿过环间压力进入腔内;腔内油液体积分数随轴承转速的升高而降低,随供油量的增加而增加,呈非线性关系;喷射角度对环间油液体积分数和滚道油液体积数的影响很大,选择合适的喷射角度能够得到更好的润滑效果。该研究结果对高速轴承润滑设计提供了一定的参考依据。      

Research into Configuration and Flow of Wall Oil Film in Bearing Chamber Based on Droplet Size Distribution

The lubrication design and heat transfer determination of bearing chambers in aeroengine require a sufficient understanding of the oil droplet-film interaction and physical characteristic in an oil/air two-phase flow state.The analyses of oil droplet movement,mass and momentum transfer during the impingement of droplet/wall,as well as wall oil film thickness and flow velocity are very important for the bearing chamber lubrication and heat transfer calculation.An integrated model in combination with droplet movement,droplet/wall impact and film flow analysis is put forward initially based on the consideration of droplet size distribution.The model makes a contribution to provide more practical and feasible technical approach,which is not only for the study of droplet-film interaction and physical behavior in bearing chambers with oil/air two-phase flow phenomena,but also useful for an insight into the essence of physical course through droplet movement and deposition,film formation and flow.The influences of chamber geometries and operating conditions on droplet deposition mass and momentum transfer,and wall film thickness and velocity distribution are discussed.The feasibility of the method by theoretical analysis is also verified by the existing experimental data.The current work is conducive to expose the physical behavior of wall oil film configuration and flow in bearing chamber,and also significant for bearing chamber lubrication and heat transfer study under oil/air two-phase flow conditions.     

轴承腔油气两相流数值模拟的试验验证

为探索一种适于模拟轴承腔油气两相流流动特性的数值计算模型,建立了一套简化结构的轴承腔试验装置,通过试验研究获得了不同工况对轴承腔通风口出气比例和回油口滑油温升的影响规律.应用Fluent软件,采用Mixture多相流模型和Eulerian多相流模型分别搭配标准k-ε湍流模型和RNG(renormalization group) k-ε湍流模型对选定试验工况进行数值模拟.对比结果表明:当转速为2200r/min时,使用Mixture多相流模型搭配RNG k-ε湍流模型计算的滑油温升与试验值的相对误差仅为2.72%,体现了该计算模型在高转速时的精确性,并在此基础上获得了油气两相流速度场、压力场和温度场的分布特征.      

航空发动机整机空气系统流动与传热数值模拟

为了研究航空发动机整机空气系统内流动与传热特性,本文以涡扇发动机整机空气系统为对象,主要包括压气机盘腔、涡轮盘腔、低压轴前后腔、前后轴承腔等旋转盘腔和大量的流阻换热单元以及相邻的结构部件。所研究的是一个多腔相连,多进口,多出口,流固耦合传热的复杂问题,分析了发动机真实状况下空气系统内的流动与传热特性。采用Mixture多相流模型进行数值计算得到了该系统的速度场、压力场和温度场。结果表明：该系统内的流场是复杂的多涡流场,多个出口出现燃气倒灌;整个系统的腔压大致从前到后逐渐升高;由于主流通道燃气的入侵,导致高、低压涡轮盘的温度较高,后轴承腔内滑油的冷却作用较为明显。本文的工作使得对发动机整机空气系统的研究不再局限于一维计算,为空气系统的设计提供了理论依据。     

基于DPM与VOF方法轴承腔内滑油瞬态特性对比

为了研究航空发动机轴承腔内油气两相流流动特性,分别采用DPM方法和VOF方法建立了完整的数学模型,并对轴承腔内的两相流动进行了非稳态的数值模拟,获得了不同转速情况下内壁面油膜厚度和滑油体积分数的动态变化过程。通过与实验数据的对比及两种方法计算结果的对比,验证了模型的合理性。进一步计算了增大滑油流量情况下腔内滑油分布。研究结果表明：油膜在轴承腔壁面经历从形成到基本稳定的过程,历时约0.8 s;油膜的生成位置及发展速度受转速影响较大,空气对油膜的剪切作用对油膜分布的均匀性有积极作用。