微观表面形貌流体动压润滑效果的二维cfd有限元分析

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1、微观表面形貌流体动压润滑效果的二维CFD有限元分析摘要本文报道了一系列关于具有微观形貌的两平行表面的流体动压润滑效果。研究两种参数类型的凹槽，其中固定表面具有相同的润混膜厚度，另一表面光滑运动。运用CFD分析了全膜润滑的流体动压效果。结果表明，在流体润滑情况下，引入表面织构使得润滑膜压力提高，从而提高了由于流体动压润滑产生的表面承载力，该承载力与雷诺参数有关，并且随着凹槽宽度和深度的增加而增加。然而，在某一的特定深度下，在凹槽表面出现涡流现象，并且在其附近达到最大承载力。摩擦力随着凹槽深度和宽度的增加而减少，在所有研究的模型中，寻找到了最优的表面织构。1引言润滑的目的是为

2、了分离两接触表面减少摩擦磨损，通过润滑膜产生压力分离两表面，并产生承载力。两表面的相对运动促使润滑油进入凹槽产生压力。为了提高效能和效率，降低磨损和形成流体动压润滑的风险，研究压力形成的各种影响因素是十分重要的。本研究的目的是研究表面织构对两平行表面之间流体动压润滑效果的影响。文献[1/2]给出了表面织构对轴承表面性能的重大影响。文献[3]表明往复运动的织构表面的摩擦力得到很大降低。Glavatskih等人[4]研究表明，表面织构在止推轴承表面形成了更厚的润滑膜和更小的能量损失。通过表面织构提高承载效率的机制还不清楚，因此对某一个体的影响进行理论分析时必要的。文献[5/6

3、]利用雷诺方程模拟了静止表面的球形凹槽表面织构的流体动压润滑效果。形成油膜承载力的一方面是表面凹槽形成的空化现象，文献[7]中，Brizmer等人利用雷诺方程和空化模型，研究了由于空化现象使得止推轴承的承载力提高。在两个凹槽的交叉部分空化现象可能导致两相流动，为了实现静压积累必须使两相流动转换为单相流动。由于凹槽和油膜的几何影响，只有当液体从外部的凹槽补充时才能形成单向流动。在实际情况中，液体供给凹坑的现象并不清楚，尤其是考虑侧漏问题时，这也是为什么空化现象的影响有限的原因，因此，必须研究其他可能增加承载力的因素。Arghir等人[8]利用CFD模拟了两相对运动表面之间的

4、液体流动，其中一个表面有三种不同形状的表面织构，结果表面静压增加的原因是凹槽的存在和雷诺数增加的共同作用。有很多机制影响流体动压效率，单独研究并加以区分是重要的。对于不同的工况，可能有不同的影响机制。在本研究中对影响机制进行单独分析，深入分析某一表面织构和流体运动形式的惯性项影响，以CFD模拟分析织构的几何参数和流体运动对以摩擦力和承载力表征流体动压效能的影响。2CFD模型本研究中，通过商业用CFD软件求解Navier-Stokes方程，该方程不考虑体积力，仅求解x、y量方向，可以简写如下：该方程是以量纲形式给出的，但其结果却是无量纲的，这样可以保证结果达到相同的雷诺数R

5、e，因此维值仅代表雷诺数Re。文献[9]中给出了无量纲方程的相关信息。本研究中，研究了流体域中两种几何形状表面织构的影响，第一种形状为圆柱形如图1，通过宽度W和深度d表征，织构单元的Lx=1e-3，油膜厚度为Ly=3e-5，流体在固定壁面上，上表面移动速度为u，边界条件如图所示，沿着x方向为周期边界，z方向为对称边界。第二种形状定义为花键形，如图2所示，与圆柱形参数大致相同，多了参数xd，表征的是y方向最低点x方向距离，设置了相同的边界条件。根据流体模型中的参数改变系统模型的某些参数，所有改变的参数都相互独立，如表1.图1圆柱形表面织构模型图2花键形表面织构模型3结果和讨

6、论在层流状态下计算了油膜压力、流线和两壁面之间接触力。需要强调的是，流体动压效果的影响独立与在薄膜润滑状态下可能产生的其他任何流体影响，本文的重点就是分析流体动压效果中流体影响机制。然而，其他效果如空化现象和热量也会影响流体动压效果。3.1平流的影响流体流量中平流的影响可以通过比较Naive-Stokes和Stokes（忽略了平流项）方程，图3给出了分别依据Naive-Stokes和Stokes方程求解的沿x方向上表面的压力分布，其中表面织构为圆柱形，雷诺数分别为10和160.两个曲线非常接近，两条曲线之间只有一段很小的差距，当雷诺数增加到60时，两条曲线的不同增加。St

7、okes曲线几乎是反对称的，而Navier-Stokes曲线从0边界开始静压力区域上升。图3（b）中，在较低的x方向区域，两条曲线的压力都呈线形变化，在x=-0.2时，Naive-Stokes方程的曲线急剧上升累积静压力，而Stokes方程的曲线持续下降，直到越过凹坑边缘时才呈直线增加，曲线关于x=0几乎呈反对称形式。图3两图中曲线之间的区域就是平流对压力的影响，因为Stokes方程中忽略了平流（惯性项）的影响。这一结果也证实了Arhgir[8]最近所做的一项研究。图4定量的给出了两个方程的不同，根据凹槽宽度的不同根据两个方程