本文關鍵詞：軸承腔油氣兩相介質流動和熱效應理論分析與試驗研究

  更多相關文章： 軸承腔 油滴 軌跡 氣相流場 相似準則 概率密度函數 含率 沉積

【摘要】：軸承腔是包納航空發(fā)動機轉子支點軸承的容腔,起著收集潤滑油、將軸承與高溫環(huán)境以及灰塵污物等隔離的重要作用。由于處在二次空氣系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)的界面位置,軸承腔存在著“油滴-空氣-油膜”共存的復雜的油氣兩相流動和換熱狀態(tài),導致軸承腔潤滑和換熱設計面臨諸多困難和挑戰(zhàn),因為軸承腔潤滑和換熱設計很大程度上依賴于對腔內油氣兩相流動和換熱狀態(tài)的準確理解和預測。近年來先進航空燃氣渦輪發(fā)動機高轉速、大推力、小體積以及輕重量的發(fā)展趨勢對包括軸承腔等機械系統(tǒng)的設計也提出了更高的要求。然而受多種因素的制約,目前軸承腔潤滑與換熱狀態(tài)的研究水平與工程設計需求還有很大的差距。在這一背景下,本文關注作為軸承腔潤滑與換熱研究的基礎工作、軸承腔油氣兩相流動和換熱問題研究,重點包括油滴生成、運動和沉積特征以及油膜流動等幾方面的研究,具體研究內容如下。(1)根據軸承腔油滴形成及運動過程的特點與旋轉噴霧器中霧滴形成和運動特點存在著顯著的相似性,本文設計了旋轉圓盤腔試驗裝置的總體結構。然后進行了試驗裝置子系統(tǒng)的設計和零部件選配,并確定了油矢數量、油滴軌跡和速度以及腔壁油膜寬度等參數的試驗測量方案。在試驗裝置上開展了相關試驗,為本文后續(xù)工作提供了基礎。(2)本文開展了旋轉圓盤甩射油矢及油滴特征的理論分析。首先確定了旋轉圓盤上油膜的離心力,并根據牛頓粘性定律建立了油膜力學平衡方程,從而計算了油膜流動的厚度和速度分布。之后討論了旋轉圓盤邊緣油膜波動及破裂問題,借助波動油膜受力分析確定了油膜破碎臨界條件方程,最終確定了油膜破碎形成的油矢數量以及油矢進一步斷裂形成的油滴的平均直徑。借助油矢數量的試驗數據驗證了旋轉圓盤甩射油矢及油滴特征的理論分析。(3)為提供油滴運動和熱狀態(tài)分析中所需的輸入條件,開展了軸承腔氣相流動數值計算和相似性分析。首先確定了軸承腔氣相流動和換熱的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及湍流方程;構建了氣相介質流場的離散網格以及確定了邊界條件,從而建立了氣相流動數值模型,求解了氣相流動的速度、壓力和溫度。根據量綱分析的有關方法推導了軸承腔氣相流動相似準則,并根據氣相流動數值計算結果擬合了軸承腔氣相介質流動速度和溫度分布的無量綱相似準則關系式。以他人研究的試驗結果評估了文中提出的軸承腔氣相介質流動速度分布關系式的誤差。(4)在上述工作的基礎上,開展了軸承腔油滴運動及其與空氣相能量傳遞分析。首先考慮了油滴與空氣的對流換熱,嵌入油滴能量方程確定了油滴運動和熱狀態(tài)方程組,并構建了瞬時步進法求解油滴軌跡、速度以及溫度的計算流程。確定了軸承腔油滴尺寸分布的數學描述函數,并利用相關試驗數據建立了油滴尺寸分布與軸承腔結構及工況參數間的關系。之后,將油滴直徑范圍進行離散,獲得了各直徑區(qū)間油滴的質量、數量以及油滴運動軌跡、速度和溫度等,進一步計算了軸承腔中油滴相體積和質量含率以及油滴相與空氣相的動能和熱能傳遞量。并利用旋轉圓盤腔試驗裝置測量的油滴軌跡、速度及油滴相體積含率的試驗結果驗證了理論分析模型的可靠性。(5)分析了軸承腔中油滴與腔壁碰撞的沉積和飛濺現象,并確定了油滴與腔壁碰撞沉積準則,給出了油滴與腔壁碰撞的“粘附”、“反彈”、“擴散”及“破裂”四種不同狀態(tài)時油滴碰撞腔壁的質量、動量和熱量沉積率。進而建立了考慮油滴尺寸分布條件的軸承腔軸承甩射油滴碰撞腔壁沉積特征計算模型,獲得了沉積油膜質量、動量和熱量。討論了軸承腔若干結構和工況參數對油滴與腔壁碰撞沉積特征的影響。根據軸承腔壁面油膜流動的力學平衡和質量守恒條件計算了油膜的厚度、平均速度和溫度。(6)提出了將軸承腔中油滴和空氣混合物等效為均相介質的處理方式,構建了描述軸承腔油氣兩相流動和換熱問題的均相介質/油膜分層流動和換熱數值模型,實現了軸承腔油氣兩相流動的速度、壓力和溫度的計算。設計制造了軸承腔油氣兩相流動和換熱試驗裝置,測量了軸承腔中均相介質以及油膜的溫度和壓力,支持了軸承腔油氣兩相流動和換熱數值分析的合理性。本文的研究工作進一步充實了軸承腔油氣兩相流動和換熱的研究內容。構建了軸承腔軸承霧化潤滑油矢和油滴特征的理論分析方法;提出的借助相似性方法構建氣相介質流動分布模型能夠提升分析的適用性和便捷性且降低了計算的工作量;將油滴與空氣對流換熱分析嵌入油滴運動分析,并在分析中反映了油滴溫變對油滴和空氣物性參數的影響,這樣的處理方式一方面提升了油滴軌跡和速度分析的精度,另一方面借助油滴熱狀態(tài)分析首次開展了油滴相與空氣相熱量傳遞以及油滴碰撞腔壁沉積熱量分析。本文的研究工作在一定程度上完善了軸承腔油氣兩相流動和換熱研究體系。
【關鍵詞】：軸承腔 油滴 軌跡 氣相流場 相似準則 概率密度函數 含率 沉積
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V231
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第1章 緒論13-29
• 1.1 研究背景及選題意義13-18
• 1.1.1 航空發(fā)動機軸承腔的功能和典型結構13-16
• 1.1.2 軸承腔油氣兩相流動及換熱現象16-17
• 1.1.3 軸承腔油氣兩相流動研究的意義17-18
• 1.2 研究現狀及存在的問題18-25
• 1.2.1 軸承腔油氣兩相流動及換熱研究現狀18-23
• 1.2.2 其他相關技術的研究現狀23-24
• 1.2.3 存在的問題24-25
• 1.3 本文主要研究內容25-29
• 第2章 旋轉圓盤腔油滴生成及運動特征試驗研究29-47
• 2.1 引言29-31
• 2.2 試驗裝置及其各系統(tǒng)構成31-39
• 2.2.1 試驗裝置的總體結構31-32
• 2.2.2 試驗裝置的子系統(tǒng)及零部件32-37
• 2.2.3 旋轉圓盤腔試驗裝置的功能和性能參數37-38
• 2.2.4 試驗裝置的操作規(guī)范38-39
• 2.3 試驗測量原理及試驗流程39-43
• 2.3.1 旋轉圓盤油矢數量測量原理39
• 2.3.2 油滴直徑測量原理39
• 2.3.3 油滴運動速度及軌跡測量原理39-41
• 2.3.4 腔壁油膜寬度測量原理41
• 2.3.5 油滴相體積含率測量原理41-42
• 2.3.6 試驗流程42-43
• 2.4 試驗結果及討論43-45
• 2.5 本章小結45-47
• 第3章 旋轉圓盤甩射油矢及油滴特征分析47-69
• 3.1 引言47
• 3.2 旋轉圓盤油膜流動分析47-55
• 3.2.1 旋轉圓盤油膜流動分析模型47-53
• 3.2.2 計算結果及討論53-55
• 3.3 旋轉圓盤甩射油矢及油滴分析55-68
• 3.3.1 旋轉圓盤油矢數量分析的相關說明55-57
• 3.3.2 旋轉圓盤油矢數量分析計算模型57-62
• 3.3.3 油矢直徑、波長及破碎油滴的直徑62-63
• 3.3.4 計算結果及討論63-67
• 3.3.5 理論分析的試驗驗證67
• 3.3.6 旋轉圓盤油滴直徑計算通式67-68
• 3.4 本章小結68-69
• 第4章 軸承腔氣相介質流動數值計算及相似性分析69-87
• 4.1 引言69
• 4.2 軸承腔氣相流場數學描述69-70
• 4.2.1 軸承腔中氣相介質流動基本控制方程69-70
• 4.2.2 湍流方程70
• 4.3 氣相介質流動的數值分析70-73
• 4.3.1 軸承腔氣相介質流場結構70-71
• 4.3.2 氣相介質流場計算區(qū)域的離散71-72
• 4.3.3 邊界條件及求解控制72-73
• 4.4 軸承腔氣相介質流動相似性分析73-77
• 4.4.1 軸承腔氣相介質流動相似準則73-76
• 4.4.2 氣相介質速度、溫度分布及壁面剪切應力計算通式76-77
• 4.5 計算結果及討論77-86
• 4.5.1 網格獨立性驗證77
• 4.5.2 氣相介質流動的數值計算結果77-83
• 4.5.3 氣相介質速度、溫度分布及壁面剪切應力計算通式83-85
• 4.5.4 氣相介質速度分布通式的試驗驗證85-86
• 4.6 本章小結86-87
• 第5章 軸承腔油滴運動及油滴相與空氣相能量傳遞分析87-109
• 5.1 引言87
• 5.2 單個油滴運動和熱狀態(tài)分析87-90
• 5.2.1 單個油滴運動和熱狀態(tài)的數學描述87-89
• 5.2.2 油滴速度和溫度方程的離散求解89-90
• 5.3 軸承腔油滴相尺寸的分布90-92
• 5.3.1 軸承腔油滴質量分布密度函數90
• 5.3.2 均勻度指數與結構和工況參數的關系90-92
• 5.4 油滴相含率及油滴相與空氣相能量傳遞分析92-96
• 5.4.1 油滴的生成頻率92-93
• 5.4.2 油滴相含率分析93-94
• 5.4.3 油滴相與空氣相能量傳遞分析94-96
• 5.5 計算結果及討論96-108
• 5.5.1 單個油滴的運動和熱狀態(tài)96-101
• 5.5.2 軸承腔中油滴相含率101-103
• 5.5.3 油滴相與空氣相能量傳遞量103-105
• 5.5.4 理論分析的驗證105-108
• 5.6 本章小結108-109
• 第6章 軸承腔油滴與腔壁碰撞沉積及油膜流動分析109-129
• 6.1 引言109
• 6.2 油滴與腔壁碰撞沉積及油膜流動分析模型109-117
• 6.2.1 油滴與腔壁碰撞沉積準則109-110
• 6.2.2 單個油滴與腔壁碰撞的沉積質量、動量和熱量分析110-114
• 6.2.3 沉積油膜質量、動量和熱量分析114-116
• 6.2.4 油膜的速度、厚度和溫度分析116-117
• 6.3 計算結果及討論117-128
• 6.3.1 單個油滴與腔壁碰撞的沉積質量、動量和熱量117-121
• 6.3.2 沉積油膜質量、動量和熱量121-125
• 6.3.3 油膜厚度、速度和溫度125-128
• 6.4 本章小結128-129
• 第7章 軸承腔油氣兩相流動和換熱數值模擬及試驗129-147
• 7.1 引言129
• 7.2 軸承腔油氣兩相流動和換熱數值分析129-134
• 7.2.1 軸承腔油氣兩相流動和換熱的數學描述129-131
• 7.2.2 軸承腔油氣兩相流動和換熱數值模型131-134
• 7.3 軸承腔油氣兩相流動和換熱試驗裝置及試驗測量134-138
• 7.3.1 試驗裝置的總體結構134
• 7.3.2 試驗裝置子系統(tǒng)134-138
• 7.3.3 試驗測量方案138
• 7.4 計算結果及試驗驗證138-145
• 7.4.1 軸承腔油氣兩相流動和換熱計算結果138-143
• 7.4.2 數值分析的試驗驗證143-145
• 7.5 本章小結145-147
• 第8章 結論與展望147-151
• 8.1 本文研究工作總結147-148
• 8.2 本文的創(chuàng)新點148-149
• 8.3 對今后研究工作的展望149-151
• 參考 文獻151-161
• 致謝161-163
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文和參加科研情況163-166

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本文編號：966942