考慮空化效應(yīng)的傾斜織構(gòu)表面摩擦學(xué)性能cfd分析

考慮空化效應(yīng)的傾斜織構(gòu)表面摩擦學(xué)性能cfd分析

大多數(shù)設(shè)備損失是由摩擦磨損造成的。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，不同形式的摩擦磨損導(dǎo)致80%以上的機(jī)械零件損失。為了提高機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)能力、增加其可靠性、提高其使用壽命,對(duì)降低摩擦磨損、改善潤(rùn)滑性能的控制必不可少。傳統(tǒng)摩擦學(xué)認(rèn)為,互相接觸的2個(gè)表面越光滑磨損量越小。然而近幾年大量的研究和實(shí)踐表明,在摩擦副表面加工具有一定排列規(guī)律的微觀結(jié)構(gòu)不但能夠提高承載能力,而且可以降低摩擦副表面之間的摩擦磨損,延長(zhǎng)機(jī)械零部件的使用壽命當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)表面織構(gòu)的基礎(chǔ)研究大多集中在平行摩擦副織構(gòu)表面的各織構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響,但在實(shí)際工況中往往會(huì)出現(xiàn)傾斜的情況,如滑動(dòng)軸承、熱-力耦合條件下機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)之間形成的收斂與發(fā)散油膜間隙等。CUPILLARD等相關(guān)研究表明,傾斜角的引入對(duì)織構(gòu)的有效性和其摩擦學(xué)性能都有著很大的影響,在許多情況下,整體楔形效應(yīng)的影響會(huì)掩蓋織構(gòu)的益處1模擬模型的構(gòu)建1.1相為催化劑的壓力和速度為了考慮慣性項(xiàng)的影響式中:ρ為潤(rùn)滑劑的密度;u為x坐標(biāo)方向的速度;η為潤(rùn)滑劑的動(dòng)力黏度;p為油膜的壓力。織構(gòu)間隙由于突變帶來(lái)的空化效應(yīng)采用Fluent自帶空化模型Schnerr-Sauer進(jìn)行描述,源相R式中:ρ當(dāng)pp式中:n1.2坑寬度和厚度二維單微孔傾斜織構(gòu)幾何模型示意圖如圖1所示,計(jì)算流體域總長(zhǎng)度L=300μm;凹坑寬度d=100μm,凹坑位于下壁面的正中間;出口油膜厚度h模型的左端設(shè)為壓力入口,為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;右端為壓力出口,也設(shè)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;上下邊界均采用無(wú)滑移邊界條件,下邊界靜止,上邊界運(yùn)動(dòng)速度為u=20m/s,方向如圖1所示。1.3網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證對(duì)于該計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分采用ICEM軟件進(jìn)行。由于油膜厚度方向尺寸與織構(gòu)長(zhǎng)度方向尺寸差別在2個(gè)數(shù)量級(jí),所以采用自由網(wǎng)格劃分時(shí)會(huì)出現(xiàn)油膜厚度方向網(wǎng)格數(shù)量較少,顯然很難滿足計(jì)算過(guò)程對(duì)網(wǎng)格精細(xì)度的要求,故采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格數(shù)量較少時(shí),仿真結(jié)果的誤差會(huì)比較大;網(wǎng)格過(guò)密時(shí),會(huì)使仿真的計(jì)算量增大,且當(dāng)網(wǎng)格數(shù)增加到一定水平時(shí)再增加網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小。故仿真時(shí)需要對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證來(lái)確定合適的網(wǎng)格尺寸,以確保仿真結(jié)果的精度。經(jīng)過(guò)計(jì)算對(duì)比最終將油膜厚度方向的網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.1μm;織構(gòu)長(zhǎng)度方向網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.5μm。選擇Fluent2D二維雙精度求解器,求解器類型選為Pressure-Based,壓力速度耦合采用SIMPLE算法。操作壓力設(shè)為101325Pa。對(duì)于空化的模擬采用Mixture多相流模型,空化壓力設(shè)為30kPa。由于空化產(chǎn)生氣相,流體狀態(tài)選擇k-ε湍流模型,有利于計(jì)算收斂。計(jì)算的收斂精度設(shè)為10分別計(jì)算各h2結(jié)論分析2.1空化條件下出口油膜厚度h對(duì)于收斂油膜間隙而言,織構(gòu)的引入能否提高油膜的承載性能是該研究深入開(kāi)展的前提。圖2為考慮空化條件下出口油膜厚度h從圖2所示的承載力對(duì)比來(lái)看織構(gòu)的引入是有益的,提高了油膜的承載力。從圖3所示的壓力分布曲線的對(duì)比來(lái)看,織構(gòu)的引入通過(guò)改變壓力的分布形式與極值大小,改變了油膜承載力。2.2考慮空化效應(yīng)的傾斜織構(gòu)以出口油膜厚度h圖4所示為考慮空化和不考慮空化2種情況時(shí)的壓力云圖。圖5為發(fā)生空化時(shí)氣相體積分?jǐn)?shù)云圖。圖6為該2種情況下上壁面的壓力分布曲線。結(jié)合圖4和圖6可知,不考慮空化效應(yīng)的影響時(shí),在織構(gòu)的入口由于油膜間隙的突然增大造成的發(fā)散效應(yīng)導(dǎo)致產(chǎn)生很大的負(fù)壓,在織構(gòu)的出口處由于油膜間隙的突然變小形成動(dòng)壓效應(yīng),所以在此處產(chǎn)生很大的正壓力;考慮空化效應(yīng)時(shí),在織構(gòu)的入口處當(dāng)壓力降低至潤(rùn)滑液的飽和蒸汽壓時(shí)液體就會(huì)發(fā)生空化來(lái)阻止壓力的進(jìn)一步降低,如圖5所示,所以在織構(gòu)入口的最低壓力為液體的飽和蒸汽壓力,在織構(gòu)的出口處其機(jī)制和不考慮空化是一致的。對(duì)其上壁壓力進(jìn)行積分求得上壁的承載力在考慮和不考慮空化時(shí)分別約為170和120N。由此可知,空化不僅影響了流場(chǎng)的壓力分布,而且改變了油膜的承載力,因此在分析傾斜織構(gòu)表面時(shí)有必要考慮空化效應(yīng)的影響。圖7為Δh=0.2μm,h2.3模型參數(shù)的影響分析2.3.1影響涂層深度的影響圖8示出了Δh=0.2μm,不同h2.3.2傾斜角與油膜厚度的影響以最優(yōu)承載力為研究對(duì)象,圖9所示為不同h從圖9中可以發(fā)現(xiàn),隨著傾斜角的增加最優(yōu)承載力呈遞增的趨勢(shì)。造成這一現(xiàn)象的主要原因可以從圖10中看出,相同油膜厚度條件下傾斜角越大,所產(chǎn)生的附加動(dòng)壓效應(yīng)就越明顯,會(huì)產(chǎn)生更高的壓力極值進(jìn)而產(chǎn)生更高的油膜承載力。圖11所示為不同Δh值所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)承載力值隨油膜厚度h從以上分析可以得出,織構(gòu)表面所能夠獲得的最大承載力除了受織構(gòu)深度的影響外還受到傾斜角和油膜厚度的影響。在較大傾斜角、較小油膜厚度條件下織構(gòu)表面具有較大的最優(yōu)承載力。2.3.3最優(yōu)貢獻(xiàn)率與傾斜角度的關(guān)系以最優(yōu)承載力相對(duì)于無(wú)織構(gòu)條件下承載力的增長(zhǎng)率作為承載性能改善的衡量指標(biāo)。最優(yōu)承載力增長(zhǎng)率為有織構(gòu)最優(yōu)承載力與同條件下無(wú)織構(gòu)承載力的差值與無(wú)織構(gòu)承載力的比值,其值是一個(gè)相對(duì)增量,在衡量承載性能的改善程度方面更具代表性。圖13所示為不同h通過(guò)觀察最優(yōu)增長(zhǎng)率所對(duì)應(yīng)的空化云圖(見(jiàn)圖14—16)可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律,同一h由上可知空化效應(yīng)較強(qiáng)時(shí),最優(yōu)承載力增長(zhǎng)率會(huì)隨著傾斜角的增大而減小;空化效應(yīng)較弱時(shí),最優(yōu)承載力增長(zhǎng)率會(huì)隨著傾斜角的增大而增大。因此可得出,最優(yōu)承載力增長(zhǎng)率的變化與空化效應(yīng)密切相關(guān)。結(jié)合圖13及最優(yōu)承載下對(duì)應(yīng)的空化云圖可知,傾角一定時(shí),在低油膜厚度條件下空化效應(yīng)較小,此時(shí)較大的傾斜角有利于提高最優(yōu)承載力增長(zhǎng)率;在較高油膜厚度下空化效應(yīng)較強(qiáng),此時(shí)較小的傾斜角下會(huì)有較大的最優(yōu)承載力增長(zhǎng)率。3空化效應(yīng)對(duì)油膜承載力的影響(1)驗(yàn)證了在收斂間隙中,合理地引入織構(gòu)是有益的,能夠改善油膜的承載性能。(2)與平行織構(gòu)表面有所不同,在傾斜織構(gòu)表面中,與不考慮空化相比,考慮空化效應(yīng)時(shí)油膜承載力不一定更大,傾斜角一定時(shí),在較大油膜厚度下空化效應(yīng)具有更好的壓力提升作用。(3)織構(gòu)深度會(huì)影響油膜的承載性能,且每個(gè)模型都會(huì)存在