為探索微觀表面形貌對(duì)液膜密封空化的影響,基于滿足質(zhì)量守恒的JFO空化模型及坐標(biāo)變換,建立考慮微觀表面形貌的雙壩區(qū)螺旋槽液膜密封數(shù)學(xué)模型;采用有限體積法離散求解控制方程,綜合分析表面粗糙度、周向波度和徑向錐度對(duì)螺旋槽液膜密封空化發(fā)生的影響規(guī)律。結(jié)果表明:相比而言,密封面計(jì)入微觀表面形貌后,摩擦副液膜中空穴區(qū)發(fā)生位置分散且形狀不規(guī)則;以空化面積比為判據(jù),較大表面粗糙度對(duì)液膜空化促生雖起到積極作用,但數(shù)據(jù)較小,可忽略不計(jì);錐度對(duì)液膜中空穴促生和抑制影響有限,波幅的增加顯著促進(jìn)液膜中空穴的發(fā)生;高頻波數(shù)時(shí),正錐度有利于降低液膜空化面積比,抑制空穴。
【部分圖文】：

對(duì)比圖3(a)和圖3(b)發(fā)現(xiàn),計(jì)入微觀表面形貌后,整個(gè)單周期計(jì)算域液膜中空穴發(fā)生明顯變化,即處于波度膜厚發(fā)散區(qū)域的螺旋槽區(qū)內(nèi)的空穴發(fā)生面積增大并向臺(tái)區(qū)和壩區(qū)延伸;處于波度膜厚收斂區(qū)域的螺旋槽區(qū)內(nèi)的空穴發(fā)生面積明顯減小,尤其是液膜重生位置沿螺旋方向朝外槽壩邊界偏移。顯然,微觀表面形貌,尤其是周向波度的影響,使得不同螺旋槽區(qū)空穴發(fā)生面積存在差異,而且空穴區(qū)向臺(tái)區(qū)和壩區(qū)擴(kuò)展。這表明,微觀表面形貌的綜合作用及其與螺旋槽的疊加,顯著影響液膜密封空穴分布規(guī)律。因液膜密封計(jì)入微觀表面形貌后,計(jì)算域液膜中空穴區(qū)發(fā)生位置分散且形狀不規(guī)則,文中以摩擦副密封面間整個(gè)流體膜中空化面積比為判據(jù),綜合分析表面粗糙度、周向波度和徑向錐度對(duì)液膜中空穴發(fā)生的影響規(guī)律。其中,表面粗糙度Ra為0、0.4、0.8、1.6 μm、量綱一波幅A范圍0.3～3.0;錐度表征量B范圍-3.0～3.0;波數(shù)為5、10、20、40。

由圖4可知,不同量綱一波幅A和不同量綱一錐度B-1時(shí),粗糙表面表征Ra為0.4 μm時(shí)對(duì)應(yīng)的液膜中空化面積比δcav與光滑平面對(duì)應(yīng)值基本相同;當(dāng)Ra>0.4 μm時(shí),隨著Ra值的增加,空化面積比δcav呈增加趨勢(shì)。當(dāng)Ra值分別為0.8和1.6 μm時(shí),相比光滑平面,空化面積比δcav的最大增幅分別為0.94%和3.23%。這表明,相對(duì)光滑平面,較大膜厚時(shí),較小表面粗糙度對(duì)液膜空穴促生影響微乎其微;而較大表面粗糙度對(duì)液膜空穴促生雖起到積極作用,但數(shù)值仍較小,可忽略不計(jì)。3.2 波度波幅和錐度的影響

圖5示出了表面粗糙度Ra=0.4 μm、波數(shù)K=20,波度波幅和錐度對(duì)液膜中空穴發(fā)生的影響。由圖5(a)可知,不同量綱一錐度B-1時(shí),液膜空化面積比δcav隨量綱一波幅A由0.3至3.0呈近似線性增加趨勢(shì),這與非開(kāi)槽液膜密封中波度對(duì)空化面積比的影響規(guī)律不盡相同[9],這可能是膜厚較大或波度和螺旋槽共同作用的結(jié)果。由圖5(b)可知,不同量綱一錐度A時(shí),液膜空化面積比δcav隨量綱一錐度由-3.0至3.0時(shí)呈線性降低趨勢(shì),當(dāng)A分別為0.30、0.50、0.75和1.00時(shí),δcav的降幅分別為6.22%、8.85%、11.03%和9.44%。對(duì)比從負(fù)錐度至正錐度的總體跨度范圍與密封面間基準(zhǔn)膜厚(h0=12 μm)大小,δcav的平均降幅較小。這表明,較大膜厚時(shí),錐度對(duì)液膜中空穴促生和抑制影響有限,而波幅的增加顯著促進(jìn)液膜中空穴的發(fā)生。
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