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。      

滚珠自转对高速球轴承环下润滑内部流动的影响

高速球轴承正常工作时,处于高速旋转状态,此时油相和气相因重力和离心力的作用在轴承环间剧烈运动。为了更准确地分析轴承环间的两相流动,采取VOF模型进行内部流场的模拟,采用多重旋转坐标系描述部件运动。建立球轴承环下润滑计算模型,分析了考虑滚珠自转因素下轴承内部的流动,并在此基础上探究了转速及供油量对轴承工作状态的影响。结果表明,对比整体模型与滚珠自转模型,发现滚珠自转使得轴承内部油体积分数增大,同时也使得滑油穿透间隙达到外环的能力增加;在考虑滚珠自转情况下,转速的不断增大,使得轴承内部的油相体积分数不断减小,在低转速情况下滚珠自转对流体运动影响较为明显,在高转速情况下公转速度对流体运动起到主导作用,滚珠自转对流体运动影响减弱;供油量不断的增大,使得滚珠自转模型内部的油相体积分数也在不断增大,而且滚珠自转运动会加强滑油在轴承内部的分布。     

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。     

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。     

航空发动机轴承腔油气两相流动特性及改进研究

为了研究航空发动机轴承腔油气两相流动特性，改善滑油回油效果，建立了基于欧拉-欧拉方法轴承腔两相流求解模型，针对轴承腔的通风结构和回油结构提出了三种改进方案，对不同工况下常规轴承腔和三种改进方案流动特性和回油特性进行深入分析。研究结果表明，将常规轴承腔通风结构进行嵌入(Embed)改进后，滑油被嵌入的通风口壁面阻挡，从通风口流出的滑油量减小，回油效率明显提升；将常规轴承腔回油结构进行斜坡(Slope)改进后，回油口右侧滑油堆积区消失，腔内滑油体积分数减小，回油效率明显提升；组合改进方案(ES)能够兼顾嵌入和斜坡改进方案的优势，回油效率进一步提升。相比常规轴承腔，当滑油流量为200L/h，转速为15000r/min时，嵌入、斜坡和组合改进方案回油效率分别提高了16.47%,13.02%和32.81%。     

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。     

考虑冷气掺混的涡轮气动性能数值研究

采用数值求解雷诺平均N-S方程的方法,数值模拟了带冷气掺混的涡轮内部全三维黏性流场,研究了冷气掺混对涡轮流动损失和气动性能的影响。数值计算结果表明,对于具有单排孔冷气入射的气膜冷却情况,当入射角是30°时,随着冷气流量增加,流动损失减小;而对于多排气膜孔冷气入射,各排气膜孔冷气之间的干扰是引起流动损失的主要原因,对不同位置冷气流量的优化选择,可以明显减小前后排冷气的掺混损失。为了降低冷气掺混的流动损失,基于数值实验的结果,本文首次引入了叶片表面气膜孔沿径向交错排列结构。     

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。     

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.      

周向平均方法在某风扇/增压级分析中的应用简

 通过对三维（3D）Navier-Stokes方程进行周向平均,得到了通流模型的控制方程,对其采用时间推进有限体积方法进行数值求解。为实现风扇/增压级在设计初期的快速性能评估,考察了周向平均方法在风扇/增压级分析中的准确性。分别利用NUMECA三维数值模拟软件和周向平均通流模型（CAM）对某高通流风扇/增压级进行了性能分析,从对比结果来看,周向平均通流模型在近设计点给出了与三维数值模拟十分接近的特性参数,最大误差不超过2.0%。在风扇转子中,由于周向平均通流模型能捕获通道激波,其物理本质与三维平均结果有所区别,因此径向参数分布与三维有所差异。而在亚声速流动下的增压级及外涵道各叶片排出口参数的径向分布与三维数值模拟结果都能很好地吻合。     

周向平均方法在某风扇/增压级分析中的应用

通过对三维（3D）Navier-Stokes方程进行周向平均,得到了通流模型的控制方程,对其采用时间推进有限体积方法进行数值求解。为实现风扇/增压级在设计初期的快速性能评估,考察了周向平均方法在风扇/增压级分析中的准确性。分别利用NUMECA三维数值模拟软件和周向平均通流模型（CAM）对某高通流风扇/增压级进行了性能分析,从对比结果来看,周向平均通流模型在近设计点给出了与三维数值模拟十分接近的特性参数,最大误差不超过2.0%。在风扇转子中,由于周向平均通流模型能捕获通道激波,其物理本质与三维平均结果有所区别,因此径向参数分布与三维有所差异。而在亚声速流动下的增压级及外涵道各叶片排出口参数的径向分布与三维数值模拟结果都能很好地吻合。     

润滑方式对球轴承润滑性能影响的数值研究

为合理选择高速球轴承润滑方案,优化润滑系统参数,针对SKF7210角接触球轴承建立了喷油润滑与环下润滑计算模型,基于VOF数值方法,研究了两种润滑方式下轴承内油气两相流场和内外环温度场。研究结果表明:相同工况下,环下润滑轴承内油气分布较喷油润滑更为均匀;转速增加两种润滑方式润滑效果均下降,但对环下润滑影响更大,当转速超过18kr/min时(Q=3L/min,F=5kN),环下润滑轴承内油体积分数将低于喷射润滑;供油量增加可改善润滑效果,尤其对环下润滑,当转速大于10kr/min时,环下润滑轴承内油体积分数相对喷油润滑将大幅提高;载荷增加会使轴承内油体积分数减小。结论:当转速和载荷较低时,可使用结构简单的喷油润滑;当转速和载荷较高时,使用环下润滑较为有利,但需保证供油量维持在较高水平。     

中介轴承环下流道滑油流动及润滑效率分析

航空发动机主轴轴承（中介轴承）大多采用环下供油方式进行润滑,滑油在环下供油流道中的流动特性影响着轴承润滑效率,为了改善迄今滑油流动分析与喷射-收纳滑油分析相割裂及未考虑环下供油孔与滚动体相对位置变化所产生滑油输出时变性影响的不足,提出了考虑滑油输出时变性影响的喷油-收油与滑油流动集成分析方法。首先,将进入环下供油流道的滑油分解为直接喷入收油孔的滑油和沉积于收油环壁面上并沿周向流入收油孔的滑油,通过计算这两部分滑油流量获得进入环下供油流道的滑油流量;然后,基于环下供油孔和滚动体相对位置变化规律确定供油孔出口的时变边界条件,将其嵌入滑油流动瞬态分析模型,进行模型求解后得到环下供油流道各出口的滑油流量及轴承润滑效率。所提出的滑油流动分析方法较为系统也更符合工程实际,为中介轴承润滑效率的准确计算提供了技术方法和基础数据,有助于中介轴承润滑系统的精确设计。     

航空发动机机匣内部油路压力损失试验与计算研究

为给航空发动机燃油泵和滑油泵的出口压力设计提供依据,采用试验测试和数值模拟研究了附件传动机匣内部复杂油路的压力损失。对发动机机匣内部变管径、变转折角等多种复杂油路在不同供油流量时的压力损失进行了试验测试,获得了典型结构油路的压力损失数据和变化规律;采用FLUENT软件对试验油路进行计算并与试验结果比较分析,获得了不同流动和几何参数条件下的复杂油路计算精度和计算方法的适用性结论。研究成果对航空发动机燃、滑油系统内部油路的设计具有工程指导意义。     

超声速气流中液体喷雾流动数值模拟研究

超声速气流中液体喷雾流动特性对超声速燃烧基础研究及其工程应用具有重要意义。为了定量探索超声速气流中液体横向射流雾化特性，本文对超声速气流中液体喷雾流动进行了数值模拟研究。数值模拟方法基于Eulerian-Lagrangian两相流计算架构，考虑气液双向耦合，采用KH/RT液滴二次破碎模型计算液滴雾化过程，采用大涡模拟计算气相流动。结果表明，该数值模拟方法所获得的液雾场突起结构、穿透高度、液滴平均速度分布等液雾特性均能与试验结果较符合；初始液滴直径分布对破碎后液滴平均速度影响较小而对破碎后液滴平均直径及液相平均体积分数影响较大，初始液滴直径分布需在后续的建模与模拟中进行更多研究。     

构建航空发动机滑油系统稳态模型

研究模拟不同飞行条件下滑油系统稳态工作对滑油系统的设计和故障诊断具有重要的参考价值。基于部附件特性，提出了依据8个航空发动机性能参数，用向量计算和插值算法取代迭代算法来构建滑油系统稳态模型的方法，并对发动机在海平面、最大工作状态条件下的滑油系统性能参数进行了验证计算。计算结果与设计数据吻合较好，误差在5％以内，表明所建立的稳态模型是有效的。滑油在各轴承腔和齿轮箱中的流量分配随空气压力变化，计算误差主要来自轴承腔和齿轮箱压力分布假设，为进一步提高计算精度，必须建立航空发动机内部空气系统模型。     

分流叶片位置对高转速离心压气机性能的影响

运用三维粘性流动数值计算程序FineTM/Turbo对叶顶间隙泄漏存在时带分流叶片的高转速离心压气机模型级内部流动进行了数值模拟,重点分析了分流叶片不同起始位置及不同周向位置对压气机级内三维粘性流场及整级性能的影响.计算中采用Jameson的中心差分格式结合Baldwin-Lomax代数模型使用时间推进法求解雷诺平均N-S方程,计算模拟了模型级内部复杂的三维粘性流动过程及气体参数分布的详细结构和规律.计算结果表明:采用分流叶片在进口段会减少叶片阻塞,从而使更高的质量流量可以流经叶轮;分流叶片起始位置位于Ⅲ时,两个通道叶轮出口处速度分布最均匀;分流叶片越短,长叶片压力面无量纲静压载荷越大.当分流叶片长度达到某一数值后,长叶片载荷变化趋于平缓.分流叶片位于不同周向位置时,IBSA叶轮的模型级效率最高,压气机性能最好.     

轴承腔内壁与油膜换热的数值模拟与试验

航空发动机后轴承腔内壁与滑油的换热分析是轴承腔热防护结构设计的基础。对航空发动机轴承腔内壁换热模拟试验件开展试验与数值模拟研究,得到了滑油油膜对轴承腔内壁的换热影响。通过测量试验件外壁面、内壁面以及滑油油膜的温度得到了试验件内壁面换热热流密度与换热系数的分布;结合CLSVOF(Coupled Level Set and Volume Of Fluid)油/气两相流以及热-流-固耦合计算方法对试验件进行了换热分析,并将内壁对滑油的局部热流量的计算结果与试验结果进行了对比,结果显示两者在各个工况下均吻合较好。通过将局部换热系数计算值与当地的滑油流动雷诺数Rel进行对比分析,结果显示内壁局部努赛尔数Nuw与Rel的0.7次方成正比关系。另外,对转速对换热的影响进行分析得到Nuw与旋转雷诺数Re_(rot)的0.345次方呈正比关系。     

低速轴流压气机非定常流场数值模拟

轴流压气机内部流动是固有的三维、黏性、非定常性。为深入研究压气机内部复杂流场结构,针对某单级低速轴流压气机进行非定常流场数值模拟;成功地捕捉到了压气机内部非定常效应,着重分析了该轴流压气机中损失的主要分布、压气机动静干涉作用,及静子叶片静压分布随转、静子不同相对位置变化。     

环下润滑结构内部流动分析和收油叶片结构优化研究

为了研究环下润滑结构内部流动并优化收油叶片结构,根据环下润滑结构内部高转速、强旋流的流动特点建立了数值计算模型,分析了原始结构的油气两相流动并总结了滑油的损失机理,在此基础上提出收油叶片的优化改进结构,详细讨论了不同收油叶片结构对环下润滑内部流动和收油效率的影响规律。研究结果表明,原始结构中滑油冲击主轴产生的碰撞飞溅和在离心作用下沿收油叶片被向外甩出均是引起收油效率下降的原因;优化收油叶片结构后的气流速度在叶尖附近的最大增加幅度不超过4m/s;收油叶片叶根拐角处采用圆弧过渡且叶根延伸后的收油效率仅在低转速范围内略高于原始结构的收油效率,收油效率最大提升了1.03%;在此基础上增加阶梯结构并进一步延伸叶根后可在全部转速范围内提升收油效率,相对原始结构的收油效率最大可提升接近5.0%。