油氣兩相流噴射冷卻旋轉(zhuǎn)發(fā)熱圓柱換熱機(jī)理分析

王進(jìn)禮，蔡林，鄭洪濤

(1.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001)

油氣潤(rùn)滑是一種有效的潤(rùn)滑冷卻方式，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于滾動(dòng)軸承［1-3］、金屬切削加工［4-5］，并且在齒輪傳動(dòng)方面［7］也有相關(guān)報(bào)道.Ramesh 等［6］進(jìn)行了油氣潤(rùn)滑冷卻滾子的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明對(duì)流換熱是油氣潤(rùn)滑冷卻的主要換熱形式.Hōh(huán)n［7］進(jìn)行了油氣兩相流體潤(rùn)滑冷卻外嚙合齒輪的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明與傳統(tǒng)浸油潤(rùn)滑相比，維持同樣溫升值僅需要滑油28mL/h.王進(jìn)禮等［8］進(jìn)行了油氣潤(rùn)滑冷卻滑動(dòng)摩擦副的試驗(yàn)研究，油氣潤(rùn)滑冷卻低速中載滑動(dòng)摩擦副時(shí)，其摩擦副溫升值低于浸油潤(rùn)滑.

對(duì)流體冷卻發(fā)熱圓柱的研究有著廣泛的工程背景，油氣潤(rùn)滑冷卻滑動(dòng)摩擦副、滾子摩擦副、齒輪傳動(dòng)等都與旋轉(zhuǎn)發(fā)熱圓柱有關(guān)，本文對(duì)油氣兩相噴射冷卻旋轉(zhuǎn)發(fā)熱圓柱進(jìn)行了數(shù)值模擬，并進(jìn)一步分析了噴射距離、射流雷諾數(shù)、轉(zhuǎn)速對(duì)圓柱Nu的影響.為油氣潤(rùn)滑應(yīng)用于摩擦副時(shí)位置、距離等參數(shù)的確定提供了理論依據(jù).

1 幾何模型及邊界條件

本文模擬的發(fā)熱圓柱為滑動(dòng)摩擦副轉(zhuǎn)子，滑動(dòng)摩擦副被油氣兩相流體潤(rùn)滑冷卻，如圖1所示.圓柱直徑d=40mm，噴嘴距圓柱最近距離為L(zhǎng)，圓柱轉(zhuǎn)速ω，圓柱發(fā)熱量為常數(shù)2 000W/m2，整個(gè)流場(chǎng)的長(zhǎng)×寬為10d×10d.將圓柱按流場(chǎng)流動(dòng)特點(diǎn)分成了4個(gè)區(qū)域，分別是:區(qū)域1為滯止區(qū)(流體噴射至圓柱駐點(diǎn)存在區(qū)域)，區(qū)域2為順流區(qū)(流體流動(dòng)方向與圓柱旋轉(zhuǎn)同向區(qū)域)，區(qū)域3為分離區(qū)(流體繞過圓柱在此區(qū)域附近發(fā)生分離)，區(qū)域4為逆流區(qū)(流體流動(dòng)方向與圓柱旋轉(zhuǎn)反向區(qū)域)，如圖2所示.

圖1 油氣潤(rùn)滑噴射冷卻滑動(dòng)摩擦副Fig.1 Oil air lubricates a sliding element

圖2 油氣潤(rùn)滑冷卻發(fā)熱圓柱Fig.2 Oil air cooling hot rotating cylinder

滑油流量保證30mL/h不變，滑油與空氣體積比小于1%，因此對(duì)滑油做離散相，空氣連續(xù)相假設(shè).油氣進(jìn)口采用速度進(jìn)口;出口采用壓力出口.圓柱壁面做無滑移假設(shè)，并采用用滑移網(wǎng)格方法模擬圓柱旋轉(zhuǎn)，利用壁面成膜模型模擬滑油噴射至圓柱表面形成油膜.對(duì)湍流的模擬采用SST k-w模型［9］.整個(gè)流場(chǎng)共劃分四邊形網(wǎng)格，總數(shù)約為25 000，圓柱表面Y+(圓柱壁面第1層網(wǎng)格尺度)約為30.表1給出了本文對(duì)油氣噴射冷卻圓柱流場(chǎng)的網(wǎng)格獨(dú)立性計(jì)算，可以看出當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)為25 000時(shí)圓柱平均溫度與50 000相差0.43%.

表1 網(wǎng)格獨(dú)立性計(jì)算Table 1 Grid independence learning results

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

Nu表征了壁面附近流體的無量綱溫度梯度，是衡量對(duì)流換熱強(qiáng)弱的重要準(zhǔn)則數(shù)，定義圓柱局部努賽爾數(shù):

表面平均努賽爾數(shù):表面平均溫度:射流雷諾數(shù):

式中:V是空氣進(jìn)口速度，D是圓柱直徑，υ是空氣粘度，T是溫度，n為壁面法向方向，S為面積.

2.1 噴射距離的影響

圖4 圓柱各個(gè)區(qū)域隨L變化規(guī)律Fig.4 Each zone against L

圖5 不同L下圓柱Nu分布規(guī)律Fig.5 Local Nu at different L

2.2 雷諾數(shù)的影響

圖6 圓柱各個(gè)區(qū)域隨Re變化規(guī)律Fig.6 Each zone against Re

圖7 不同Re下圓柱Nu分布規(guī)律Fig.7 Local Nu at different Re

圖8 滑油蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.8 Mass fraction of oil vapor

2.3 轉(zhuǎn)速的影響

圖11給出了4個(gè)不同轉(zhuǎn)速下，局部Nu隨著轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，可以看出隨著轉(zhuǎn)速的增大，旋轉(zhuǎn)作用的增強(qiáng)，Nu數(shù)與Re數(shù)變化規(guī)律一致:分離區(qū)極值點(diǎn)向著區(qū)域2移動(dòng)，區(qū)域1極值點(diǎn)仍為駐點(diǎn)，因此，轉(zhuǎn)速的增加對(duì)油氣潤(rùn)滑冷卻旋轉(zhuǎn)圓柱的機(jī)制體現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)作用的增強(qiáng)，導(dǎo)致分離區(qū)移動(dòng)而影響圓柱Nu.圖9 圓柱隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律Fig.9 Cylinderagainst ω

圖10 圓柱各個(gè)區(qū)域隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律Fig.10 Each zone against ω

圖11 不同轉(zhuǎn)速下圓柱Nu分布規(guī)律Fig.11 Local Nu at different ω

3 結(jié)束語

本文對(duì)運(yùn)用CFD方法對(duì)油氣噴射冷卻旋轉(zhuǎn)發(fā)熱圓柱進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過本文的研究可以確定油氣潤(rùn)滑在冷卻如圖1所示滑動(dòng)摩擦副時(shí)，應(yīng)使得摩擦副處于圓柱的逆流區(qū)(區(qū)域4)，并且存在最佳距離使得油氣潤(rùn)滑冷卻能力最強(qiáng)，隨著Re的增大，油氣潤(rùn)滑冷卻能力增強(qiáng).由于邊界層分離使得區(qū)域3的Nu分布較其他區(qū)域復(fù)雜，且油氣潤(rùn)滑對(duì)該區(qū)域的換熱效果最差.轉(zhuǎn)速對(duì)油氣潤(rùn)滑換熱能力的影響主要體現(xiàn)在分離區(qū)的移動(dòng)，對(duì)圓柱數(shù)影響較小.本文對(duì)模擬的圓柱做了二維恒定發(fā)熱量假設(shè)，這與工程實(shí)際有一定差別，因此對(duì)摩擦區(qū)發(fā)熱直接建模及考慮三維模擬是下一步研究方向.

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