航空发动机轴承腔内油气两相分布数值计算

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1、2010年；off沈阳航宅工业学院学报第27卷第5期JournalofShenyang[nstituteofAeronauticalEngineeringOct．2010VoI．27No．5文章编号：1007～1385(2010)05—0014—04航空发动机轴承腔内油气两相分布数值计算方弘毅徐让书王娟娟(沈阳航空航天大学动力与能源工程学院，辽宁沈阳110136)摘要：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

2、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，定义无量纲数口+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口+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。关键词：航空发动机；轴承腔；气液两相分布；VOF模型；相界面中图分类号：V228．2文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1007—1385．2010．05．004主轴承腔是航空发动机润滑系统的重要组成部份，滑油和封严空气接触并相互作用形成了复杂

3、的两相流动，了解腔内的油气两相分布对于润滑系统的合理设计具有重要的参考价值⋯。近年来，国内外学者在轴承腔两相流领域开展了一些研究工作。文献[2]和文献[3]指出相界面剪应力、重力及相关传热过程对油膜运动特性的影响，文献[4]指出了滑油着火机制和腔内两相流动特性的关系。吴昊天等[5圳通过分析轴承腔内几种不同的流型，得到了滑油出口速度和压力等参数的变化规律。这些成果对于认识轴承腔内油气两相流动具有重要的意义，但是，对轴承腔内部两相分布的分析还鲜见于诸文。由于轴承腔自身空间的狭窄性和内部介质的高速运转，详细测量的难度很

4、大，因此，数值计算不失为一种有效方法。以航空发动机典型结构轴承腔为研究对象，采用VOF方法追踪气液相界面，定义了一个无量纲数口+用来说明腔内某一位置滑油相对于封严空气的体积分数值，获得了口+随转子转速及滑油进口流量等工作参数的变化规律。研究对象为文献[9]简化轴承腔(图l中轴承腔2)。主轴由两个轴承支撑，转速最大可达20000r／min，球轴承用来避免主轴发生轴向或径向位移。润滑系统提供最大滑油体积流量400L／h，收稿日期：2010一09—02。作者简介：方弘毅(1985一)，男，陕西安康人，硕士研究生，主要研

5、究方向：航空发动机气动热力学及应用，E—mail：fwwbeat@126．温度最高可达423K，润滑冷却轴承后进人滚柱轴承分开的两个轴承腔中。两个轴承腔均为空气加压迷宫密封，封严空气最大流量为0．5kg／s，最高温度为623K。图1简化轴承腔1油气两相流动基本方程口本文采用VOF方法，腔内的流动近似地认为由两种互不相融的不可压缩流体构成的流动体系，引入一个变量a，即计算单元里相的体积分数，在每一个控制体积内，两相的体积分数的和为l。只要每一相的体积分数在每一位置是可知的，那么在任何给定单元内的变量及其属性取决于体

6、积分数值[10-11]。1．1基本控制方程体积分数方程表示为警托m。=署+者(，；l一矗o(1)第5期方弘毅等：航空发动机轴承腔内油气两相分布数值计算15式中源项5。，为零，赢gl是气相到液相的质量输送，赢。。是液相到气相的质量输送。每一单元中的属性如密度或粘度可表示为D=afDf+(1一Olf)D。(2)通过求解整个区域内单一的动量方程，作为结果的速度场是由各相共享的。动量方程取决于通过属性P和p的两相的体积分数。动量方程表示为去(∥)+V咖讷V吾7)]+倦+瓦f能量方程表示如下面附近单元表面的法向。接触角氏表

7、示壁面上相界面与壁面的夹角，那么挨着壁面的实际单元的表面法向为‘h=而。cosO。十￡。sinO。(8)式中h。和￡。分别是壁面的单位法向量和切向量。接触角与一个单元正常计算的表面法向远离壁面的联合决定了用于表面张力项中的表面曲率¨¨。2数值计算模型=一Vp+Vg[弘(V才+2．1计算域及边界条件(3)O(pE)+Vg[孑(pE+p)]=Vg(kcgVr)+S。(4)式中的能量E和温度r作为质量平均变量：E：atptEt+asp￡Es．(5)∞一～J，ollpl+仅毋g对于每一相的E都是基于该相的比热和共享温度。

8、源项包含相间对流换热及热辐射。有效热传导J

9、}微两相共享¨¨。以上各式中，a表示体积分数，t表示时间，P表示密度，秽表示速度矢量，P表示压力，肛表示动力粘度，瓦表示体积力矢量，符号V表示散度，上标丁表示矩阵转置，下标z表示液相，g表示气相。无量纲数口+由下式定义：∑QL‘卢+=}(6)∑a毋‘1．2表面张力表面张力使用散度定理可以表示为体积力，作为源项添加到动量方程中。表