基于FLUENT轧机油膜轴承空化现象的仿真与分析
基于CFD方法的滑动轴承多相流油膜稳定性分析
基于CFD方法的滑动轴承多相流油膜稳定性分析裴振英;张旭【摘要】The model of multi-phase flow oil film in journal bearing was established with CFD method.The oil film load,maximum pressure and gas-liquid ratio at different rotation speed and eccentric ratio were respectively calculated.The rules of the oil film stability varied with rotation speed and eccentric ratio were obtained and the reasons of these were ana-lyzed.The variation of stability of steam turbine generator unit in accelerating process was illustrated using the rules.The results show that the oil film load and maximum pressure are increased,the ratio and area of vaporization are expanded with increasing rotation speed at constant eccentric ratio condition or with enlarging eccentric ratio at constant speed condition. Consequently,higher rotation speed or larger eccentric ratio will deteriorate the stability of oil film.%应用计算流体力学方法，使用多相流模型，建立滑动轴承中的油膜模型；计算不同的转速和偏心率下油膜的载荷、最大压力和气化比例，分析它们随转速和偏心率的变化规律；利用该规律说明了实际汽轮发电机组在升速过程中的稳定性的变化。
基于FLUENT的径向滑动轴承油膜压力仿真
基于FLUENT的径向滑动轴承油膜压力仿真黄首峰;郭红;张绍林;岑少起【摘要】Now domestic and overseas scholars usually use the finite difference method or the finite element method to research the static and dynamic characteristics of the different structure journal bearings. In order to simplify the mathematical models, these methods often neglect the influence of other factors such as inertia source term and oil film curvature and so on,in addition, re search on characteristics of complex shape bearing is very difficult through the finite difference method-Based on original N-S equations and CATIA fluid models, the fluid pressure distribution and static characteristics of externally pressurized journal bearing under different eccentricity and different rotational speed was established through FLUENT 0simulation.lt can be seen from the results that the pressure values increase with the increment of rotational speed and eccentricity ratio.FLUENT simulation results are close to the numerical calculation of references. A theoretical basis for the further study of the sliding bearing performance is provided.%目前,对于不同结构形式的滑动轴承,通常采用差分法或者有限元法来研究轴承的静、动态特性,在建立数学模型时要进行很多简化,往往忽略惯性项、油膜曲率等因素的影响,并且差分法不易对复杂形状的轴承进行特性计算.以外部供油的径向滑动轴承为研究对象,从原始的N-S方程出发,基于CATIA建立了油膜的流场模型,通过FLUENT仿真得到了不同偏心率和不同转速下轴承油膜的压力分布.仿真结果表明:在偏心率一定的情况下,轴承压力值随着转速的增加而增加；在转速一定的情况下,轴承压力值随着偏心率的增加而增加.FLUENT仿真结果与文献中数值计算结果相吻合,为进一步研究滑动轴承的其他性能提供了一种新的方法.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2012(000)010【总页数】3页(P248-250)【关键词】径向滑动轴承;FLUENT;油膜压力分布;偏心率【作者】黄首峰;郭红;张绍林;岑少起【作者单位】郑州大学机械工程学院,郑州450001;郑州大学机械工程学院,郑州450001;郑州大学机械工程学院,郑州450001;郑州大学机械工程学院,郑州450001【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH133.31 引言随着旋转机械向着高速和重载的方向发展，机械行业对轴承的性能要求也越来越高。
基于FLUENT的轴承腔封严引气流动特性仿真分析及结构优化
基于FLUENT的轴承腔封严引气流动特性仿真分析及结构优
化
冷子昊;程荣辉;郭松;张杰一;苏壮
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2024()3
【摘要】为降低轴承腔封严引气流阻,提升滑油系统封严可靠性,以航空发动机轴承腔封严引气结构为研究对象,针对发动机典型工况点,将引气管、轴心引气等三维模型导入CFD软件平台FLUENT划分网格,采用Realizable k-ε模型对流场进行三维数值模拟,流场分析结果与实际相吻合,能够准确地反映气体流动状态。
通过对2种引气管结构与3种轴心引气结构流动特性进行对比分析,得到典型工况下封严引气结构的流阻及出口流速等性能参数,最终确定多种封严引气结构对流动特性的影响,从而对引气结构进行改进设计,优化了引气流动特性,为轴承腔封严引气结构设计提供了参考。
【总页数】5页(P47-51)
【作者】冷子昊;程荣辉;郭松;张杰一;苏壮
【作者单位】中国航发沈阳发动机研究所;中国航空发动机集团航空发动机动力传输重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】V233.41
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1.基于Fluent的滑阀阀口流动特性仿真分析
2.基于Fluent的轴承腔温度场仿真分析
3.基于Fluent的带反洗阀封隔器的流阻特性仿真分析
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5.基于Fluent的气液两相流喷嘴内部流动特性仿真
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基于CFD的纯油润滑滑动轴承数值模拟
基于CFD的纯油润滑滑动轴承数值模拟刘仁志;魏星;宋志佳;蔡林【摘要】Numerical simulations were carried out to study the pure-oil lubricated journal bearing by using the cavi-tation model of FLUENT. The temperature increment of the bearing was given and compared with the experimental value, the results agreed well. The relation between bearing capacity and eccentricity under different rotation speed and length-diameter ratios ( L/D) were calculated, the oil film pressure distributionwith different eccentricity was derived, and the gas phase mass distribution rules were discussed in this paper.%应用FLUENT软件中的空穴模型对纯油润滑状态下的滑动轴承进行了数值模拟，给出了轴承的温升值，并与文献实验值对比，吻合良好；进一步计算了不同转速、长径比下，承载力大小与偏心率的关系；给出了不同偏心率下油膜压力分布，并讨论了气相体积分布规律。
【期刊名称】《应用科技》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P59-62)【关键词】滑动轴承;温升值;空穴;油膜压力;CFD【作者】刘仁志;魏星;宋志佳;蔡林【作者单位】海军驻哈尔滨地区代表室，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TG156滑动轴承的温升值直接影响其工作稳定性，是评判滑动轴承性能的重要指标；而在滑动轴承的实际工作过程中，由于轴承在扩散段会产生负压，使得溶解在滑油里的气泡析出，发生空穴现象，导致油膜破裂。
基于FLUENT的抽油机用滑动轴承数值模拟
一 １ ２—
１ ． ２网格 生成
态 为层 流 ， 因此 采 用 层 流 模 型 对 滑动 轴 承 内流 场
进 行求 解 。
以偏 心 率 为０４ ．的模 型为 例 ，采 用 四面 体划 分 网格单 元 。轴 承半径 间隙 为００ ｍｍ，且 有０４ ．３ ．的偏 心 率 ，直 接 导 致模 型最 薄 处 尺 寸 只 有 ００ ８ ｍ， ．１ ｒ ａ 而 这 部 分 网格 若 划 分 较 大 ， 极 易造 成 网格 扭 曲率 大 和 最 小体 积 为负 的情 况 ， 降低 网格 质 量 ，进 而 影 响 计 算 。故 需 要 将 模 型 薄 壁 处细 划 网格 ，而 楔 形 储 油腔 处 因 为尺 寸 稍 大 ， 可 以粗 划 网格 。本 文 将 流 场模 型 偏 心 圆柱 面 的 上 下两 个 底 圆进 行 线 打 断 处理 如 图３ 示 ，这 样就 可对 薄壁 处进 行 细化 网 所 格 ， 而对 楔 形 油 腔 处粗 划 网格 ，并 且 不 会 产 生 过 渡 区域 网格 单元扭 曲率 大 的现象 。
Ｄｙ ａ ｃ ，ＣＦ ｎ ｍｉｓ Ｄ） 可 通 过 计 算 机 数 值 计 算 和 图 像 显 示 ，对 包 含 有 流体 的系 统 做 计 算 分析 。Ｃ Ｄ Ｆ 的基 本 思想 是 把 原 来在 时 间域 及 空 间 域上 的连 续 物理 量场 用 一 系 列 的 有 限个 单 元 进 行 离 散 化 ，通 过 一 定 的原 则 和 方 式 建立 起 关 于 这 些 离 散 点上 场 变 量 之 间关 系 的代 数 方程 ，然 后 求 解 代 数 方程 组 获得 场 变 量 的近 似 值 ， 它适 合 于无 法 运用 经验 公
滑 动 轴 承 内流场 模 型 ，分 析 了该 流场 在 不 同偏 心 率 、不 同压 力入 口条 件 下 的压 力 分 布 ，研 究 了其 承载 力 与偏心 率 、入 口压力 间的关 系 。 ｌ滑 动轴 承 模 型 的建 立
基于fluent的气体止推轴承出口性能仿真与分析_王莉娜
观察气体轴承气膜压力及速度分布云图可以 看出： 弹性均压槽处的压力基本不变， 这是因为弹 性均压槽的深度比气膜间隙要高出一个数量级的 缘故。而从均压槽边沿到轴承边缘处的压力分布 呈逐渐递减的状态， 且在轴承边缘处的压力几乎 变为 0． 1 MPa。 在均压槽和大矩形的区域， 气体流动速度不 由于壁面间隙非常狭小， 所 大。但在气膜间隙里， 以紧挨壁面的速度稍小， 而中间层的气流速度非 常大， 类似于生活中常见的流动的自来水在突然 遇到狭小区域时所呈现的现象。 层流模型 和 湍 流 模 型 仿 真 的 结 果 如 图 5 所 示， 可以看出气膜出口处的压力值随着气膜间隙 的增大而缓慢减小。 在气膜间隙小于 15 μm 时， 湍流模型仿真的结果比层 流 模 型 仿 真 的 结 果 稍 大； 当气膜间隙大于 15 μm 时， 湍流模型仿真的结 并随着间隙的不 果比层流模型仿真的结果稍小， 断增大而最终趋于一致。
物理模型 含有弹性均压槽的矩形气体静压止推轴承如
1 —节流孔； 2 —滑块本体； 3 —气腔； 4 —弹性薄板； 5 —进气孔； 6 —上顶盖
图1
含有弹性均压槽的矩形气体静压止推轴承
收稿日期：2011 － 11 － 29 ； 修回日期：2012 － 01 － 11 基金项目：陕西省教育厅基金项目 （ 09JK484 ）
1． 2 fluent 仿真模型的建立 1． 2． 1 二维层流模型的控制方程 根据边界层的特性 ， 对连续性方程和 N － S 方
· 34·
《轴承》 2012． №． 4
程（ Navier － Stokes Equations ） 进行简化， 得到适合 层流边界层内流动的基本微分方程为 2 1 p u u u u= +v = － + v 2， x y ρ x y p u v = 0， + = 0， y x y v 为速度矢量沿着 x， y 轴的速度分量； p 为 式中： u， 。 ： y = 0 u = v = 0； 在 y = 压力 其边界条件为 在 处， u = v（ x ） 。 δ 处， 1 ． 2 ． 2 二维湍流模型的控制方程 湍流模 型 很 多， 在 此 采 用 单 方 程 （ Spalart － Allmaras） 模型， 在各向同性的前提下， 其二维微分 表达式为 u ， y 式中： μ t 为计算湍流黏性系数； ρ 为密度； u'v' 为速 度脉动的二阶关联量。 － ρ u'v' = μ t
可倾瓦轴承的fluent的udf仿真程序
可倾瓦轴承的fluent的udf仿真程序可倾瓦轴承是一种常见的工业轴承，广泛应用于各种机械设备中。
为了研究可倾瓦轴承的流体特性，人们使用Fluent软件进行仿真分析，并编写UDF（User-Defined Function）程序来模拟可倾瓦轴承的运行情况。
Fluent是由美国Ansys公司开发的一款流体力学计算软件，它能够模拟和分析各种流体流动和传热问题。
UDF是Fluent软件中的一个功能，它允许用户通过编程的方式自定义模拟过程中的物理特性和边界条件。
在可倾瓦轴承的仿真中，UDF程序起到了关键的作用。
它可以根据轴承的几何形状、材料特性和流体流动条件，计算出轴承内部的流体流动速度、压力分布和温度分布等关键参数。
通过对这些参数的分析，可以评估轴承的性能和运行状态，从而指导轴承的设计和优化。
在编写可倾瓦轴承的UDF程序时，需要考虑到以下几个方面：需要确定轴承的几何形状和材料特性。
可倾瓦轴承通常由内外套、滚柱和润滑油组成，每个部件都具有不同的几何形状和材料特性。
在编写UDF程序时，需要准确地描述这些参数，并将其作为输入变量。
需要建立流体流动的数学模型。
可倾瓦轴承中的流体流动通常可以近似为二维或轴对称的流动。
根据流体力学原理，可以建立流体流动的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等数学模型，并将其转化为UDF程序中的计算公式。
然后，需要指定边界条件和初始条件。
在可倾瓦轴承的仿真中，边界条件通常包括轴承内外表面的速度、压力和温度等参数。
通过UDF程序，可以根据实际情况设定这些参数，并对其进行求解和迭代，以得到轴承内部的流体流动状态。
需要进行结果的后处理和分析。
UDF程序可以输出轴承内部各个位置的流体流动参数，如速度、压力和温度等。
通过对这些参数的分析，可以评估轴承的性能和运行状态，比如判断轴承是否存在润滑不良、温度过高或流动阻力过大等问题，并提出相应的改进建议。
可倾瓦轴承的仿真程序是一项复杂而重要的工作。
基于Fluent的动压径向轴承油膜力场模拟研究
基于Fluent的动压径向轴承油膜力场模拟研究涂林;李多民;段滋华【摘要】The three-dimensional steady-state conditions of oil film bearing pressure field distribution in the same filler inlet pressure and different journal speed were studied through finite element modeling by Gambit and solving the mechanical equation of oil film bearing directly by CFD software Fluent. The simulated result is consistent with the results of theoretical research and experiment. In steady state conditions, hydrodynamic sliding bearing oil film is divided into. wedgeshaped convergent zones and divergent area at the minimum film thickness, where have positive peak and negative peak separately. The maximum positive pressure and negative pressure increases linearly with the increase of speed, and they are independent of location.%通过Gambit划分网格建立有限元模型,利用CFD软件Fluent直接求解油膜轴承力学方程的方法对油膜轴承力场进行模拟.研究在相同的进油压力下,轴承在不同转速下油膜力场的三维分布.结果表明:油膜力场分布模拟结果与理论研究及实验结果一致,证明理论、实验与数值模拟结合研究油膜力场分布的可行性;在稳态工作下,动压滑动油膜轴承在油膜厚度最小处被分隔成楔形收敛区和发散区,并在楔形收敛区和发散区油膜分别存在正压峰值和负压峰值;油膜最大正压和最大负压随转速均呈线性增长的规律,且与位置无关.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2011(036)004【总页数】5页(P82-86)【关键词】油膜轴承;压力场;油膜压力【作者】涂林;李多民;段滋华【作者单位】广东石油化工学院机电工程学院,广东茂名,525000;太原理工大学化学化工学院,山西太原,030024;广东石油化工学院机电工程学院,广东茂名,525000;太原理工大学化学化工学院,山西太原,030024【正文语种】中文【中图分类】TK263.6动压径向滑动轴承是通过自身旋转产生油膜压力,相比静压轴承其供油系统更为简单,工艺要求不苛刻,设计良好的动压轴承具有很长的使用寿命,因此广泛应用于石油化工领域[1]。
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早在十八世纪，流体力学的先驱Euler就通过实验观测到流体的空化现象并作了相关研究。
传统意义上空化是材料的剥蚀源、噪声的辐射源、构件的振动源以及流体动力的干扰源。
在润滑理论发展初期，人们就发现静载时轴颈的非承载区发生了空化现象。
1956年Cole和Huges使用玻璃轴承套观测到发散区油膜破裂呈细条状;1983年B.D.Jacobson和B.J.Hamrock首先用高速相机拍摄到动载轴承中的空穴;1991年D.C.sun和D.E.Brewe通过挤压油膜实验获得较好的空穴照片。
随着油膜轴承在高精度轧机上的应用，对油膜空化现象的研究不仅具有重要的理论意义，而且有着广泛的工程应用价值。
1 动压油膜轴承空化现象产生的机理
空化是指在一定条件下液体介质内部出现蒸汽泡或空穴(空泡)的现象。
通常自然空化发生的主要原因是液体介质中局部压力低于液体的饱和蒸汽压(气压)，导致液体中原有的微气核或者初生的气核成长为大的空穴(空泡)，甚至连成片形成空穴区。
动压油膜轴承的工作原理主要是基于粘滞流体的动压效应，如图1所示。
图中，轴颈1在衬套2中转动把润滑油带入收敛的楔形间隙，油液受到挤压产生一定的动压承载力，因此油膜承载区承受着相当高的压力。
而在发散区油膜压力骤降，甚至出现负压，尤其是轴承承载较大时，负压的峰值也更高。
此时发散区的部分油膜由于压力低于润滑油的饱和蒸汽压而出现空穴(空泡)，随着空穴数量的增多、体积的增大，流场的状态就会改变，油膜自然破裂，发生空化现象。
2 基于FLUENT仿真的数学理论基础
本文以低速重载轧机油膜轴承为研究对象，其流体润滑理论基于RANS方程，数值解法采用有限体积法(FVM)，利用SIMPLE求解器对具体问题进行有效的计算。
2.1两相流计算的控制方程
因空化现象的出现，研究对象不再是单相的流体计算，而是两相流计算，所以不但要遵循基本的物理守恒定律还要遵循组分守恒定律。
计算过程中组分守恒定律通过如下控制方程实现。
式中，t表示时间;f f是体积力矢量;ρf是流体密度;v是流体速度矢量;τf是剪切力张量，p是流体压力;μ是动力粘度;e是速度应力张量，e可表示为：
2.2 空化模型的数学理论基础
常态下非理想纯净的润滑油中溶解着不可冷凝的微气核，随着油膜压力的降低，这些微气核从饱和状态蒸发出来，密度也发生改变，这个过程由式(3)的输运方程所控制。
式中:
ρv、ρt分别代表计算域气、液相的密度;f v表示气相体积分数;
是气相速度矢量;Re表示空穴产生和膨胀的相变率;Rc表示空穴的压缩和破裂的相变率。
Re和Rc从空泡在液体中运动特性的Rayleigh-Plesset方程推导得出:
式中，Ce、Cc分别为相变率系数，Ce=0.02，Cc=0.01;Vc为局部特征速度;Stc 为饱和液体的表面张力系数;Psat为液体的饱和蒸汽压;P为局部实际压强;其它符号同前。
3 计算域的控制单元和网格划分
轴承和润滑油的相关参数见表1。
用有限体积法对油膜的流场进行计算时，其控制体和网格的关系如图2所示。
其中黑粗线为计算域中的wall，而黑细线为计算网格，对应的红点即为网格节点，青色虚线为控制体的边界。
由此可知网格节点在控制体的正中央。
网格质量对数值模拟的计算精度和收敛速度有很大影响，甚至起到决定性的作用。
本次计算中油膜厚度为10～40μm，而宽度为165mm，直径为220mm，数量级相差过大。
因此，为保证计算精度和收敛速度，针对油膜的特殊性，采用ICEM 中的结构化网格生成技术对油膜进行分块网格划分，这样能够较好地控制包括边界层在内的网格生成质量，最终的网格模型如图3所示。
4 油膜空化现象的仿真计算与结果分析
本次研究对象是低速重载轴承，所以假设油膜的润滑状态为层流，并且油膜是在稳态下工作，温升小可以认为润滑油的粘度不变且为不可压缩的流体。
两相流模型采用MXITURE模型，适用于气相体积率很低的空穴流;压力－速度耦合采用SMIPLE算法;压力的离散采用PRESTO格式。
4.1油膜压力的计算分析
计算域的边界状态采用雷诺边界条件，设定进油口压力为0.08 MN，轴颈转速200 r/min，平均油温50℃，油膜压力的计算结果如图4所示。
由图可以看出，油膜承载区最高压力为5.22 MN，而发散区最高负压高达5 MN。
润滑油在这么高负压下连续性必然遭到破坏，所以后期要引入空穴模型进行计算分析。
4.2 基于两相流的空化仿真计算分析
由仿真结果可知，从收敛区到发散区油膜压力骤降，必然导致空化现象的发生。
启动Cavita tion Model，进行两相流计算。
因引入空穴模型，部分润滑油固有物性成为影响空穴形成的参数，其它条件同前。
从图5的收敛曲线可以看出，各参数的收敛性都比较理想，其中“5-vf”为空穴体积分数的收敛曲线。
膜空穴区气相体积分数分布如图6所示。
图6中舌状云图即为油膜存在空穴(空泡)的区域，从左边对应的数据可以看出，空穴以不同的体积分数分布在这片区域。
在体积分数较小的初始端，空穴初生，随后发育成长，体积分数逐步增大。
在实际中，空穴区内这些微小的空穴，不可能这么均匀的分布在发散区内，必然有一部分会随着轴颈的转动在分布着较大空穴区域的某处结合在一起，形成大的肉眼可见的空化区，油膜在此处自然破裂。
还有一部分随着轴颈转动被带入承载区，随着压力增大，空穴破裂再次以微气核形式融入润滑油中。
其余部分由出油口流出，其中较小的空穴在大气压作用下再次溶解在润滑油中，而较大的空穴由回油管道流出。
4.3空穴区迁移现象的分析
图7为不同转速下油膜的气相体积分数分布图。
基于前面的计算流程和假设条件，下面分别研究转速:N1=120 r/min、N2=160 r/min、N3 =200 r/min、N4=240 r/min时空化区的气相体积分数分布。
从图7可以看出，转速对空化区的面积大小及位置迁移有明显的影响。
随着转速的增高，
空穴区面积增大，并且分布着较大空穴的区域逐步远离承载区，也就是说油膜自然破裂的位置在远离承载区，这样保证了承载区油膜的连续性。
但是，必须注意到，转速增加会使油膜的温升增高，粘度降低，对润滑油膜产生不利影响。
5 结论
(1)对空化现象仿真计算必须建立在雷诺边界条件基础之上，因为空穴只分布在发散区的部分区域，其它部分仍保持着完整的油膜。
而sommerfeld和半sommerfeld边界条件都认为只有收敛区内存在完整油膜。
(2)空化现象形成的主要原因是油膜的局部绝对压强低于润滑油的饱和蒸汽压。
此外，润滑油的气核含量、流粘性、表面张力以及边壁表面条件等会对空穴的形成产生一定影响。
(3)转速对空穴区的迁移有较为明显的影响，在一定范围内有利于保证承载区油膜的连续性。