發(fā)布時(shí)間：2017-10-03 22:03

  本文關(guān)鍵詞：軸承腔油氣兩相介質(zhì)流動(dòng)和熱效應(yīng)理論分析與試驗(yàn)研究

  更多相關(guān)文章： 軸承腔 油滴 軌跡 氣相流場(chǎng) 相似準(zhǔn)則 概率密度函數(shù) 含率 沉積

【摘要】：軸承腔是包納航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支點(diǎn)軸承的容腔,起著收集潤(rùn)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(rùn)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(fù)雜的油氣兩相流動(dòng)和換熱狀態(tài),導(dǎo)致軸承腔潤(rùn)滑和換熱設(shè)計(jì)面臨諸多困難和挑戰(zhàn),因?yàn)檩S承腔潤(rùn)滑和換熱設(shè)計(jì)很大程度上依賴(lài)于對(duì)腔內(nèi)油氣兩相流動(dòng)和換熱狀態(tài)的準(zhǔn)確理解和預(yù)測(cè)。近年來(lái)先進(jìn)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速、大推力、小體積以及輕重量的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)包括軸承腔等機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(rùn)滑與換熱狀態(tài)的研究水平與工程設(shè)計(jì)需求還有很大的差距。在這一背景下,本文關(guān)注作為軸承腔潤(rùn)滑與換熱研究的基礎(chǔ)工作、軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱問(wèn)題研究,重點(diǎn)包括油滴生成、運(yùn)動(dòng)和沉積特征以及油膜流動(dòng)等幾方面的研究,具體研究?jī)?nèi)容如下。(1)根據(jù)軸承腔油滴形成及運(yùn)動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)噴霧器中霧滴形成和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)存在著顯著的相似性,本文設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)腔試驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)。然后進(jìn)行了試驗(yàn)裝置子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和零部件選配,并確定了油矢數(shù)量、油滴軌跡和速度以及腔壁油膜寬度等參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)量方案。在試驗(yàn)裝置上開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn),為本文后續(xù)工作提供了基礎(chǔ)。(2)本文開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)甩射油矢及油滴特征的理論分析。首先確定了旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)上油膜的離心力,并根據(jù)牛頓粘性定律建立了油膜力學(xué)平衡方程,從而計(jì)算了油膜流動(dòng)的厚度和速度分布。之后討論了旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)邊緣油膜波動(dòng)及破裂問(wèn)題,借助波動(dòng)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(shù)量以及油矢進(jìn)一步斷裂形成的油滴的平均直徑。借助油矢數(shù)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)甩射油矢及油滴特征的理論分析。(3)為提供油滴運(yùn)動(dòng)和熱狀態(tài)分析中所需的輸入條件,開(kāi)展了軸承腔氣相流動(dòng)數(shù)值計(jì)算和相似性分析。首先確定了軸承腔氣相流動(dòng)和換熱的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程以及湍流方程;構(gòu)建了氣相介質(zhì)流場(chǎng)的離散網(wǎng)格以及確定了邊界條件,從而建立了氣相流動(dòng)數(shù)值模型,求解了氣相流動(dòng)的速度、壓力和溫度。根據(jù)量綱分析的有關(guān)方法推導(dǎo)了軸承腔氣相流動(dòng)相似準(zhǔn)則,并根據(jù)氣相流動(dòng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果擬合了軸承腔氣相介質(zhì)流動(dòng)速度和溫度分布的無(wú)量綱相似準(zhǔn)則關(guān)系式。以他人研究的試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估了文中提出的軸承腔氣相介質(zhì)流動(dòng)速度分布關(guān)系式的誤差。(4)在上述工作的基礎(chǔ)上,開(kāi)展了軸承腔油滴運(yùn)動(dòng)及其與空氣相能量傳遞分析。首先考慮了油滴與空氣的對(duì)流換熱,嵌入油滴能量方程確定了油滴運(yùn)動(dòng)和熱狀態(tài)方程組,并構(gòu)建了瞬時(shí)步進(jìn)法求解油滴軌跡、速度以及溫度的計(jì)算流程。確定了軸承腔油滴尺寸分布的數(shù)學(xué)描述函數(shù),并利用相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了油滴尺寸分布與軸承腔結(jié)構(gòu)及工況參數(shù)間的關(guān)系。之后,將油滴直徑范圍進(jìn)行離散,獲得了各直徑區(qū)間油滴的質(zhì)量、數(shù)量以及油滴運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和溫度等,進(jìn)一步計(jì)算了軸承腔中油滴相體積和質(zhì)量含率以及油滴相與空氣相的動(dòng)能和熱能傳遞量。并利用旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)腔試驗(yàn)裝置測(cè)量的油滴軌跡、速度及油滴相體積含率的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(xiàn)象,并確定了油滴與腔壁碰撞沉積準(zhǔn)則,給出了油滴與腔壁碰撞的“粘附”、“反彈”、“擴(kuò)散”及“破裂”四種不同狀態(tài)時(shí)油滴碰撞腔壁的質(zhì)量、動(dòng)量和熱量沉積率。進(jìn)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(jì)算模型,獲得了沉積油膜質(zhì)量、動(dòng)量和熱量。討論了軸承腔若干結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)對(duì)油滴與腔壁碰撞沉積特征的影響。根據(jù)軸承腔壁面油膜流動(dòng)的力學(xué)平衡和質(zhì)量守恒條件計(jì)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(zhì)的處理方式,構(gòu)建了描述軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱問(wèn)題的均相介質(zhì)/油膜分層流動(dòng)和換熱數(shù)值模型,實(shí)現(xiàn)了軸承腔油氣兩相流動(dòng)的速度、壓力和溫度的計(jì)算。設(shè)計(jì)制造了軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱試驗(yàn)裝置,測(cè)量了軸承腔中均相介質(zhì)以及油膜的溫度和壓力,支持了軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱數(shù)值分析的合理性。本文的研究工作進(jìn)一步充實(shí)了軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱的研究?jī)?nèi)容。構(gòu)建了軸承腔軸承霧化潤(rùn)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(gòu)建氣相介質(zhì)流動(dòng)分布模型能夠提升分析的適用性和便捷性且降低了計(jì)算的工作量;將油滴與空氣對(duì)流換熱分析嵌入油滴運(yùn)動(dòng)分析,并在分析中反映了油滴溫變對(duì)油滴和空氣物性參數(shù)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(kāi)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(dòng)和換熱研究體系。
【關(guān)鍵詞】：軸承腔 油滴 軌跡 氣相流場(chǎng) 相似準(zhǔn)則 概率密度函數(shù) 含率 沉積
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：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(dòng)機(jī)軸承腔的功能和典型結(jié)構(gòu)13-16
• 1.1.2 軸承腔油氣兩相流動(dòng)及換熱現(xiàn)象16-17
• 1.1.3 軸承腔油氣兩相流動(dòng)研究的意義17-18
• 1.2 研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題18-25
• 1.2.1 軸承腔油氣兩相流動(dòng)及換熱研究現(xiàn)狀18-23
• 1.2.2 其他相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀23-24
• 1.2.3 存在的問(wèn)題24-25
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容25-29
• 第2章 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)腔油滴生成及運(yùn)動(dòng)特征試驗(yàn)研究29-47
• 2.1 引言29-31
• 2.2 試驗(yàn)裝置及其各系統(tǒng)構(gòu)成31-39
• 2.2.1 試驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)31-32
• 2.2.2 試驗(yàn)裝置的子系統(tǒng)及零部件32-37
• 2.2.3 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)腔試驗(yàn)裝置的功能和性能參數(shù)37-38
• 2.2.4 試驗(yàn)裝置的操作規(guī)范38-39
• 2.3 試驗(yàn)測(cè)量原理及試驗(yàn)流程39-43
• 2.3.1 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)油矢數(shù)量測(cè)量原理39
• 2.3.2 油滴直徑測(cè)量原理39
• 2.3.3 油滴運(yùn)動(dòng)速度及軌跡測(cè)量原理39-41
• 2.3.4 腔壁油膜寬度測(cè)量原理41
• 2.3.5 油滴相體積含率測(cè)量原理41-42
• 2.3.6 試驗(yàn)流程42-43
• 2.4 試驗(yàn)結(jié)果及討論43-45
• 2.5 本章小結(jié)45-47
• 第3章 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)甩射油矢及油滴特征分析47-69
• 3.1 引言47
• 3.2 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)油膜流動(dòng)分析47-55
• 3.2.1 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)油膜流動(dòng)分析模型47-53
• 3.2.2 計(jì)算結(jié)果及討論53-55
• 3.3 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)甩射油矢及油滴分析55-68
• 3.3.1 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)油矢數(shù)量分析的相關(guān)說(shuō)明55-57
• 3.3.2 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)油矢數(shù)量分析計(jì)算模型57-62
• 3.3.3 油矢直徑、波長(zhǎng)及破碎油滴的直徑62-63
• 3.3.4 計(jì)算結(jié)果及討論63-67
• 3.3.5 理論分析的試驗(yàn)驗(yàn)證67
• 3.3.6 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)油滴直徑計(jì)算通式67-68
• 3.4 本章小結(jié)68-69
• 第4章 軸承腔氣相介質(zhì)流動(dòng)數(shù)值計(jì)算及相似性分析69-87
• 4.1 引言69
• 4.2 軸承腔氣相流場(chǎng)數(shù)學(xué)描述69-70
• 4.2.1 軸承腔中氣相介質(zhì)流動(dòng)基本控制方程69-70
• 4.2.2 湍流方程70
• 4.3 氣相介質(zhì)流動(dòng)的數(shù)值分析70-73
• 4.3.1 軸承腔氣相介質(zhì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)70-71
• 4.3.2 氣相介質(zhì)流場(chǎng)計(jì)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(zhì)流動(dòng)相似性分析73-77
• 4.4.1 軸承腔氣相介質(zhì)流動(dòng)相似準(zhǔn)則73-76
• 4.4.2 氣相介質(zhì)速度、溫度分布及壁面剪切應(yīng)力計(jì)算通式76-77
• 4.5 計(jì)算結(jié)果及討論77-86
• 4.5.1 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證77
• 4.5.2 氣相介質(zhì)流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果77-83
• 4.5.3 氣相介質(zhì)速度、溫度分布及壁面剪切應(yīng)力計(jì)算通式83-85
• 4.5.4 氣相介質(zhì)速度分布通式的試驗(yàn)驗(yàn)證85-86
• 4.6 本章小結(jié)86-87
• 第5章 軸承腔油滴運(yùn)動(dòng)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(gè)油滴運(yùn)動(dòng)和熱狀態(tài)分析87-90
• 5.2.1 單個(gè)油滴運(yùn)動(dòng)和熱狀態(tài)的數(shù)學(xué)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(zhì)量分布密度函數(shù)90
• 5.3.2 均勻度指數(shù)與結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)的關(guān)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(jì)算結(jié)果及討論96-108
• 5.5.1 單個(gè)油滴的運(yùn)動(dòng)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(yàn)證105-108
• 5.6 本章小結(jié)108-109
• 第6章 軸承腔油滴與腔壁碰撞沉積及油膜流動(dòng)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(dòng)分析模型109-117
• 6.2.1 油滴與腔壁碰撞沉積準(zhǔn)則109-110
• 6.2.2 單個(gè)油滴與腔壁碰撞的沉積質(zhì)量、動(dòng)量和熱量分析110-114
• 6.2.3 沉積油膜質(zhì)量、動(dòng)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(jì)算結(jié)果及討論117-128
• 6.3.1 單個(gè)油滴與腔壁碰撞的沉積質(zhì)量、動(dòng)量和熱量117-121
• 6.3.2 沉積油膜質(zhì)量、動(dòng)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(jié)128-129
• 第7章 軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱數(shù)值模擬及試驗(yàn)129-147
• 7.1 引言129
• 7.2 軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱數(shù)值分析129-134
• 7.2.1 軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱的數(shù)學(xué)描述129-131
• 7.2.2 軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱數(shù)值模型131-134
• 7.3 軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)測(cè)量134-138
• 7.3.1 試驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)134
• 7.3.2 試驗(yàn)裝置子系統(tǒng)134-138
• 7.3.3 試驗(yàn)測(cè)量方案138
• 7.4 計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證138-145
• 7.4.1 軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱計(jì)算結(jié)果138-143
• 7.4.2 數(shù)值分析的試驗(yàn)驗(yàn)證143-145
• 7.5 本章小結(jié)145-147
• 第8章 結(jié)論與展望147-151
• 8.1 本文研究工作總結(jié)147-148
• 8.2 本文的創(chuàng)新點(diǎn)148-149
• 8.3 對(duì)今后研究工作的展望149-151
• 參考 文獻(xiàn)151-161
• 致謝161-163
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參加科研情況163-166

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本文編號(hào)：966942